JP4967976B2

JP4967976B2 - 液体クロマトグラフ質量分析装置

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Publication number: JP4967976B2
Application number: JP2007263861A
Authority: JP
Inventors: 靖文田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: JP2009092524A

Description

本発明は液体クロマトグラフ質量分析装置に関し、さらに詳しくは、液体クロマトグラフ質量分析装置が備える複数のヒータを駆動するための制御に関する。

例えば大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）を用いた液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）では、液体クロマトグラフのカラムの末端に接続されたノズルからイオン化室内に試料液を霧化するためのノズル或いはノズル出口近傍を加熱するヒータや、イオン化室で生成されたイオンを次にガス圧の低い中間真空室へと輸送するための細管を加熱するヒータなど、複数のヒータが使用されている（例えば特許文献１など参照）。

こうした複数のヒータに加熱電力を供給する回路として、商用交流電源から供給される商用交流電力をトランス（ヒータトランス）の１次巻線に供給して降圧し、そのトランスの複数の２次巻線からそれぞれヒータに電力を供給するものが知られている。従来のＬＣ／ＭＳでは、複数のヒータで同時に加熱が行う場合を考慮して、ヒータトランスとして、駆動対象の複数のヒータの電力容量の総和以上の定格容量を有するものが使用されている。

そのため、ヒータトランスのコストが高く装置のコスト低減を阻む一因となっている。また、定格容量の大きなヒータトランスは形状が大きく重いため、装置の小形・軽量化にも不利であった。

特開平１１−１０８８９５号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ヒータトランスの定格容量をできるだけ抑えつつ分析に支障をきたさないように各部を適切に加熱することができる液体クロマトグラフ質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、液体クロマトグラフ部で分離された試料成分を含む試料液を質量分析部に導入して質量分析を行う液体クロマトグラフ質量分析装置において、
液体クロマトグラフ部で分離された試料成分を含む試料液を質量分析部に導入して質量分析を行う液体クロマトグラフ質量分析装置において、
a)質量分析部のイオン化部及び／又は該イオン化部で生成されたイオンを後段に輸送するイオン輸送部に配設された複数のヒータと、
b)商用交流電源から供給される商用交流電力が供給される１次巻線と前記複数のヒータに対応してそれぞれ設けられた２次巻線とを有するヒータトランスと、
c)前記ヒータトランスの２次巻線に生起される駆動電力を前記複数のヒータのそれぞれに、指定された期間供給するための複数の電力開閉手段と、
d)商用交流電圧の半周期期間毎に、その半周期期間内における全ての駆動電力の和が前記ヒータトランスに定められた規定電力以下となるような条件の下に、前記複数のヒータのそれぞれの特性及び目標温度に基づいて各ヒータへの駆動電力の分配を決定し、それに従って前記電力開閉手段をそれぞれ開閉するタイミングを決めて各電力開閉手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
本発明に係る液体クロマトグラフ質量分析装置は、特に、
商用交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段により検出される時間的に隣接する２つのゼロクロス点の間の半周期期間内の或る時点で前記電力開閉手段を閉じ、次のゼロクロス点で該電力開閉手段を開くようにそれぞれの電力開閉手段を制御する制御手段であって、前記半周期期間内における全ての駆動電力の和が前記ヒータトランスに定められた規定電力以下となるような条件の下に、前記複数のヒータのそれぞれの特性及び目標温度に基づいて各ヒータへの駆動電力の分配を決定し、それに従って前記電力開閉手段をそれぞれ閉じるタイミングを決めて各電力開閉手段を制御する構成とすることができる。

本発明における電力開閉手段としては、信頼性の点から、スイッチング部に電力トランジスタやトライアック（ゲート制御式半導体スイッチ）などを用いたソリッドステートリレーを用いることが好ましい。

本発明に係る質量分析装置では例えば、商用交流電圧波形のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの期間の半周期期間を最小単位として、制御手段はこの最小単位で複数のヒータに駆動電力を分配する。即ち、例えば、複数のヒータの中で目標温度と実温度との差が大きいものほど、より大きな駆動電力を供給するようにすることができる。また、同じ温度差であっても急速に昇温したいヒータに対して、より大きな駆動電力を供給するようにしてもよい。

即ち、本発明に係る液体クロマトグラフ質量分析装置では、制御手段は、いわゆる位相制御による電力制御を行い、或る時点では複数の電力開閉手段が同時に閉じ対応する複数のヒータに同時に駆動電力が供給されることがあり得るが、半周期期間内でみたときには全ての駆動電力の和はヒータトランスに定められた規定電力、一般的には定格電力容量以下に抑えられる。

従って、本発明に係る液体クロマトグラフ質量分析装置によれば、複数のヒータでの加熱を行うために用いるヒータトランスの定格電力容量を大きくする必要がなく、コストを抑えることができるとともに小型・軽量化にも有利である。また、上述のようにその時点で分析のために最も重要であるヒータに適応的に駆動電力を分配することができるので、全ての駆動電力の和の最大値に制約が設けられていても、各部をそれぞれ適切に加熱・温調して良好な分析を実現することができる。

なお、上記のような複数のヒータの駆動制御は、液体クロマトグラフ質量分析装置が備える各種のヒータに適用することが可能であるが、特に、前記質量分析部のイオン化部は略大気圧雰囲気下で試料液を霧化させる噴霧部を含み、前記複数のヒータは、前記噴霧部に設けられたヒータと、前記イオン化部で生成されたイオンを次にガス圧の低い真空室内へと輸送するための細管に設けられたヒータと、を含む構成とすることができる。

［参考例］
まず本発明には包含されないものの本発明に関連する一参考例であるＬＣ／ＭＳを図面を参照して説明する。図１はこのＬＣ／ＭＳの要部の全体構成図である。このＬＣ／ＭＳは大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）インターフェイスを用いたものであるが、これに限らず、エレクトロスプレイイオン化インターフェイスなど各種のイオン化法を利用したものとすることができる。

液体クロマトグラフ（ＬＣ）部１にあっては、送液ユニット３が移動相容器２から移動相を吸引し、一定の送液量を維持しつつカラム５へと送給する。カラム５の手前に設けられたインジェクタ４により所定のタイミングで試料を移動相中に注入すると、この試料は移動相に乗ってカラム５に導入される。そして、カラム５を通過する間に試料中の各種成分（化合物）は分離され、異なる保持時間で以てカラム５の出口から溶出して質量分析（ＭＳ）部１０に導入される。

ＭＳ部１０において、試料液は周設されたヒータ１３により加熱されたノズル１２で霧化され、略大気圧雰囲気であるイオン化室１１内に噴霧される。ノズル１２の前方には針電極１４が配設され、針電極１４からのコロナ放電により試料液中の溶媒分子がイオン化され、その溶媒イオンと試料成分分子とが化学反応することで該成分分子がイオン化される。生成されたイオンは、例えばブロックヒータであるヒータ１６により加熱された細径の加熱キャピラリ（脱溶媒管）１５を通って第１中間真空室１７へと送り込まれる。

第１中間真空室１７はロータリーポンプ２５により真空排気されることで低真空雰囲気（例えば１０²［Ｐａ］程度）に維持される。第１中間真空室１７内に導入されたイオンは第１イオンレンズ１８により収束されつつ、スキマー１９の頂部のオリフィスを通して第２中間真空室２０に送り込まれる。第２中間真空室２０はターボ分子ポンプ２６により真空排気されることで中真空雰囲気（例えば１０^-1〜１０^-2［Ｐａ］程度）に維持され、第２中間真空室２０内に導入されたイオンはオクタポール型の第２イオンレンズ２１により収束されつつ分析室２２に送り込まれる。

分析室２２は別のターボ分子ポンプ２７により真空排気されることで高真空雰囲気（例えば１０^-3〜１０^-4［Ｐａ］程度）に維持され、特定の質量（厳密には質量電荷比ｍ／ｚ）を有するイオンのみが四重極質量フィルタ２３の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ２３を通り抜けたイオンは例えばコンバージョンダイノードと光電子増倍管との組み合わせによるイオン検出器２４に到達し、イオン検出器２４では到達したイオン量に応じたイオン強度信号を出力する。この出力信号は図示しないデータ処理部に入力され、そこで、マススペクトルやマスクロマトグラム、或いはトータルイオンクロマトグラムが作成され、さらに定性・定量分析が実行される。

イオン化のためのノズル１２、及び、イオンを後段に輸送するとともに微細な試料液滴から溶媒を気化させてイオンの発生を促進するための加熱キャピラリ１５は、それぞれ付設されたヒータ１３、１６によって所定温度範囲内の任意の温度に略一定に加熱されるようになっている。次に、この２つのヒータ１３、１６の駆動制御のための回路構成、及びその制御動作を図２〜図４により説明する。図２はヒータ駆動回路の概略構成図である。

外部の商用交流電源３０から供給される交流電力はヒータトランス３１の１次巻線Ｌ１に加えられ、ヒータトランス３１の２つの２次巻線Ｌ２、Ｌ３は、それぞれソリッドステートリレー（ＳＳＲ）３２、３３を介してヒータ１３、１６に接続されている。商用交流電圧はヒータトランス３１の手前でゼロクロス検出部３６に入力され、ゼロクロス検出部３６によるゼロクロス検出信号が制御部３７に与えられる。各ヒータ１３、１６にはそれぞれ温度センサ３４、３５が付設され、温度センサ３４、３５の各温度検出信号はいずれも温度監視部３８に入力される。温度監視部３８は温度検出信号に基づいて実温度を算出し、その温度値Ｔｒ１、Ｔｒ２を制御部３７に与える。

制御部３７は例えばＣＰＵ等を含むマイクロコンピュータにより構成され、所定の計算アルゴリズムに基づいてＰＩＤ制御等の演算処理を行う演算部を含み、その演算結果に応じて２個のＳＳＲ３２、３３をオン・オフする駆動信号を生成する。また、その演算のためのパラメータとして、メモリ等に格納された、各ヒータ１３、１６の温度に関する時定数などのヒータ特性情報３９が制御部３７に与えられ、また制御目標となる各ヒータ１３、１６の温度設定値Ｔｐ１、Ｔｐ２もユーザの設定により制御部３７に与えらる。ＳＳＲ３２、３３は例えばトライアック等のゲート制御式半導体スイッチを含んで構成される高速動作可能なスイッチである。

次に、このヒータ駆動回路における制御動作の一例を、図３、図４を参照しつつ説明する。分析に先立って分析条件の１つとしてノズル１２及び加熱キャピラリ１５の目標温度がそれぞれユーザにより設定され、この目標温度が温度設定値Ｔｐ１、Ｔｐ２として制御部３７に与えられる。

外部から商用交流電力が供給されると、ゼロクロス検出部３６では交流電圧のゼロクロス点付近でパルス信号を発生する（図３参照）。従って、交流電圧の１周期（周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）期間に２つのパルス信号が発生する。制御部３７はこのゼロクロス検出信号のパルス間隔を最小単位として、ＳＳＲ駆動信号のＨ／Ｌレベルを切り替える。

制御部３７では、温度監視部３８から与えられるヒータ１３についての実温度Ｔｒ１と温度設定値Ｔｐ１との差ΔＴ１、ヒータ１６についての実温度Ｔｒ２と温度設定値Ｔｐ２との差ΔＴ２、をそれぞれ求め、基本的には、その温度差ΔＴ１、ΔＴ２がともにゼロに近づくようにＳＳＲ３２、３３のオン・オフを制御することで各ヒータ１３、１６に供給する加熱電力を調整する。こうした制御のために、例えば周知のＰＩＤ制御を利用することができる。

ここで重要なこととして、上記制御では、２つのヒータ１３、１６に対して同時に通電を行うことは禁止する。従って、ＳＳＲ３２とＳＳＲ３３とが同時にオンされることはなく、いずれか一方がオンされるか、或いは両方がともにオフされるか、である。また、例えば両ヒータ１３、１６で同じ温度差がある場合に、ヒータ１３の加熱を優先的に行うように優先度を定めておく。これは、ノズル１２の温度を上げることはイオン化を行うのに必須であること、及び、ヒータ１３の方がヒータ１６よりも熱容量が大きく温度が上昇しにくいという理由による。

従って一般的に、装置が起動されて最初に分析を実行するまでの立ち上げ時（つまりノズル１２、加熱キャピラリ１５ともに初期温度が常温であるとき）には、温度差ΔＴ１が或る所定値以上であるときに、ヒータ１３による加熱を優先的に行い、ヒータ１３側の温度差ΔＴ１が或る程度小さくなった状態では、両ヒータ１３、１６への通電を許可し、その駆動電力の配分を決める。具体的には、両ヒータ１３、１６の温度差ΔＴ１、ΔＴ２、及びヒータ特性情報３９に応じて、或る所定期間中に上記ゼロクロス間隔を単位としてヒータ１３に通電を行う回数Ｎとヒータ１６に通電を行う回数Ｍとを決定する。

例えば図４に示す例では、電源電圧波形４周期分、つまり８回分のゼロクロス間隔を１つの電力配分周期とし、Ｎ＋Ｍ≦８との条件の下に、ヒータ１３に通電を行う回数Ｎ、及びヒータ１６に通電を行う回数Ｍをそれぞれ決定する。図４の例では、Ｎ＝３、Ｍ＝５であり、ヒータ１３よりもヒータ１６により多くの加熱電力を供給している。温度差ΔＴ１、ΔＴ２が縮小していけば、Ｎ、Ｍともに値を小さくすることによりヒータ１３、１６に供給する電力を減らし、温度差ΔＴ１、ΔＴ２ができるだけゼロに近い状態で安定して推移するように制御を継続する。ノズル１２、加熱キャピラリ１５ともに実温度Ｔｒ１、Ｔｒ２が目標温度Ｔｐ１、Ｔｐ２付近に落ち着き、試料液が一定流量で供給され、周囲温度もほぼ一定に保たれているときには、ほぼ一定の制御を継続すればよい。

但し、制御部３７では各ヒータ１３、１６への電力の配分を適応的に決めることができる。即ち、上述のような電力配分周期は固定的なものではなく、例えば周囲温度が大きく変化したり、試料液の流量が変化したりするといった外乱により実温度が急に変化した場合には、これを迅速に修正する必要があるから、電力配分周期の途中でもそうした修正のための電力供給を優先させることができる。また、ヒータの特性によっては、最小の電力供給切替の単位を商用交流電力の半波とするのは適当ではなく、例えば半波×２又は半波×３の期間、連続して電力を供給したほうが適切な昇温が行える場合があるが、そうした場合にも、そうした制約を条件の１つとしてＰＩＤ制御を行うことで対応が可能である。

なお、上記参考例では、２つのヒータの駆動制御を行う場合について説明したが、３以上のヒータでも同様の手法が適用可能である。

［実施例］
次に本発明の一実施例であるＬＣ／ＭＳを図面を参照して説明する。この実施例によるＬＣ／ＭＳの全体構成及びヒータ駆動回路の概略構成は上記参考例と基本的に同じであるので説明を省略する。この実施例では、制御部３７の制御動作、具体的には制御のためのプログラムが上記参考例とは相違する。この制御部３７の制御の下に行われるヒータ駆動回路の動作を図５により説明する。

上記参考例と同様に、制御部３７は、温度監視部３８から与えられるヒータ１３についての実温度Ｔｒ１と温度設定値Ｔｐ１との差ΔＴ１、ヒータ１６についての実温度Ｔｒ２と温度設定値Ｔｐ２との差ΔＴ２、をそれぞれ求め、基本的には、その温度差ΔＴ１、ΔＴ２がともにゼロに近づくように各ヒータ１３、１６に供給する駆動電力を調整する。但し、その際に、半周期期間中にヒータ１３、１６に供給される駆動電力をＰａ、Ｐｂとしたとき、その両者の和Ｐａ＋Ｐｂがヒータトランス３１に定められた定格電力容量Ｐ以下に収まるように、つまりＰ≧Ｐａ＋Ｐｂとなるような条件を課す。そうして駆動電力Ｐａ、Ｐｂが決まれば、ＳＳＲ３２、３３をそれぞれオンさせるタイミング、図５中のｔ１、ｔ２が決まるから、それに応じて制御部３７はＳＳＲ３２、３３をそれぞれ駆動する。

上記第１実施例と同様に、制御部３７は、温度監視部３８から与えられるヒータ１３についての実温度Ｔｒ１と温度設定値Ｔｐ１との差ΔＴ１、ヒータ１６についての実温度Ｔｒ２と温度設定値Ｔｐ２との差ΔＴ２、をそれぞれ求め、基本的には、その温度差ΔＴ１、ΔＴ２がともにゼロに近づくように各ヒータ１３、１６に供給する駆動電力を調整する。但し、その際に、半周期期間中にヒータ１３、１６に供給される駆動電力をＰａ、Ｐｂとしたとき、その両者の和Ｐａ＋Ｐｂがヒータトランス３１に定められた定格電力容量Ｐ以下に収まるように、つまりＰ≧Ｐａ＋Ｐｂとなるような条件を課す。そうして駆動電力Ｐａ、Ｐｂが決まれば、ＳＳＲ３２、３３をそれぞれオンさせるタイミング、図５中のｔ１、ｔ２が決まるから、それに応じて制御部３７はＳＳＲ３２、３３をそれぞれ駆動する。

図５から明らかなように、この場合には２つのヒータ１３、１６に同時に駆動電力が供給されるが、半周期期間でみた場合にはその２つの駆動電力の和はヒータトランス３１の定格電力容量以下に収まるため、定格電力容量の範囲で良好な分析が行えるような加熱を行うことができる。

また、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

参考例によるＬＣ／ＭＳの要部の全体構成図。参考例のＬＣ／ＭＳにおけるヒータ駆動回路の概略構成図。参考例においてヒータ駆動回路の動作を説明するための概略波形図。参考例においてヒータ駆動回路の動作を説明するための概略波形図。本発明の一実施例によるＬＣ／ＭＳにおけるヒータ駆動回路の動作を説明するための概略波形図。

符号の説明

１…ＬＣ部
１０…ＭＳ部
１１…イオン化室
１２…ノズル
１３、１６…ヒータ
１４…針電極
１５…加熱キャピラリ
１７…第１中間真空室
１８…第１イオンレンズ
１９…スキマー
２０…第２中間真空室
２１…第２イオンレンズ
２２…分析室
２３…四重極質量フィルタ
２４…イオン検出器
３０…商用交流電源
３１…ヒータトランス
３２、３３…ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）
３４、３５…温度センサ
３６…ゼロクロス検出部
３７…制御部
３８…温度監視部
３９…ヒータ特性情報

Claims

液体クロマトグラフ部で分離された試料成分を含む試料液を質量分析部に導入して質量分析を行う液体クロマトグラフ質量分析装置において、
a)質量分析部のイオン化部及び／又は該イオン化部で生成されたイオンを後段に輸送するイオン輸送部に配設された複数のヒータと、
b)商用交流電源から供給される商用交流電力が供給される１次巻線と前記複数のヒータに対応してそれぞれ設けられた２次巻線とを有するヒータトランスと、
c)前記ヒータトランスの２次巻線に生起される駆動電力を前記複数のヒータのそれぞれに、指定された期間供給するための複数の電力開閉手段と、
d)商用交流電圧の半周期期間毎に、その半周期期間内における全ての駆動電力の和が前記ヒータトランスに定められた規定電力以下となるような条件の下に、前記複数のヒータのそれぞれの特性及び目標温度に基づいて各ヒータへの駆動電力の分配を決定し、それに従って前記電力開閉手段をそれぞれ開閉するタイミングを決めて各電力開閉手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする液体クロマトグラフ質量分析装置。
請求項１に記載の液体クロマトグラフ質量分析装置において、
商用交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ゼロクロス検出手段により検出される時間的に隣接する２つのゼロクロス点の間の半周期期間内の或る時点で前記電力開閉手段を閉じ、次のゼロクロス点で該電力開閉手段を開くようにそれぞれの電力開閉手段を制御する制御手段であって、前記半周期期間内における全ての駆動電力の和が前記ヒータトランスに定められた規定電力以下となるような条件の下に、前記複数のヒータのそれぞれの特性及び目標温度に基づいて各ヒータへの駆動電力の分配を決定し、それに従って前記電力開閉手段をそれぞれ閉じるタイミングを決めて各電力開閉手段を制御することを特徴とする液体クロマトグラフ質量分析装置。
請求項２に記載の液体クロマトグラフ質量分析装置であって、前記質量分析部のイオン化部は略大気圧雰囲気下で試料液を霧化させる噴霧部を含み、前記複数のヒータは、前記噴霧部に設けられたヒータと、前記イオン化部で生成されたイオンを次にガス圧の低い真空室内へと輸送するための細管に設けられたヒータと、を含むことを特徴とする液体クロマトグラフ質量分析装置。