JP4018186B2

JP4018186B2 - Isotope analyzer

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Publication number: JP4018186B2
Application number: JP01675197A
Authority: JP
Inventors: 博樹齋藤; 中陽周; 寛前川
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2017-01-30
Also published as: JPH10214591A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同位体分析装置、特に、特定の質量数の粒子（原子または分子）を選択的に通過させるという多重極フィルタ（マスフィルタともいう）の機能を利用した分析装置に関する。また、本発明は、同様の原理を用いた質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療などの分野において、安定同位体の標識機能を利用した検査が行われている。この種の検査には、放射性同位体を用いる検査と異なり、被曝に関して配慮しなくてもよいという利点がある。
【０００３】
近年、安定同位体を用いた検査の一つとして、胃の中のヘリコバクター・ピロリ（Helicobacter pylori、以下ピロリ菌という）の存在を検知する¹³Ｃ尿素呼気分析が注目されている。ピロリ菌は、胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍などの原因菌であると考えられている。このピロリ菌は、尿素分解酵素を有し、強い酸性の中で生きるために、胃中の尿素からアンモニアを作り出して胃酸を中和している。ピロリ菌による尿素の分解時に二酸化炭素が発生し、胃の血管内に吸収されて肺に運ばれる。この二酸化炭素は、肺胞細胞におけるガス交換を通じて呼気中に含まれて、呼気とともに吐き出される。そこで、¹³Ｃ尿素呼気分析では、¹³Ｃにて標識された尿素を人体に経口投与する。そして、呼気を採集し、呼気中の¹³ＣＯ₂、¹²ＣＯ₂の存在比を分析する。ピロリ菌が存在しない場合よりも¹³ＣＯ₂の比率が高いことをもって、ピロリ菌が存在すると判断される。
【０００４】
同位体存在比の測定には、従来、磁場型質量分析計が用いられてきた。しかし、磁場型質量分析計は、操作に熟練を要し、また、装置コストが比較的高いという欠点を有する。これに対し、四重極フィルタを備えた質量分析装置には、操作が簡単で装置コストが低いという利点がある。
【０００５】
以下、従来の四重極フィルタを備えた質量分析装置を説明する。この種の従来装置は、例えば、「真空の物理と応用（物理学選書１１）」熊谷寛夫、富永五郎、他、裳華房の３６８頁〜３７２頁や、「超高真空実験マニュアル」日本真空協会編、日刊工業新聞社の１２９頁〜１３２頁に示されている。
【０００６】
まず、四重極フィルタの原理を説明する。図１は、四重極フィルタの構成を示している。図示のように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定して説明する。ｚ軸は四重極フィルタの中心軸であり、ｘ軸およびｙ軸はｚ軸に直交している。四重極フィルタは、中心軸を囲んで等間隔に配置された柱状の電極１００ａ〜１００ｄを有する。すなわち、電極１００ａ〜１００ｄはｚ軸に平行に、かつ、ｚ軸から等距離に配置されている。そして、電極１００ａ、１００ｃはｙ軸を挟んで対称に配置され、電極１００ｂ、１００ｄはｘ軸を挟んで対称に配置されている。、
また、四重極フィルタには電源ユニット１０２が設けられ、電源ユニット１０２は、定常電圧Ｕと高周波の交流電圧Ｖcos(ωｔ)を合成した印加電圧±｛Ｕ＋Ｖcos(ωｔ)｝を発生する。ここで、Ｖ、ωはそれぞれ振幅および角速度である。周波数電源ユニット１０２の一方の端子には電極１００ａ、１００ｃが接続され、他方の端子には電極１００ｂ、１００ｄが接続される。これにより、電極１００ａ、１００ｃと、電極１００ｂ、１００ｄには、位相が１／２波長ずれた電圧が印加される。上記のＵおよびＶの大きさは、図示しない制御部によって制御されている。
【０００７】
四重極フィルタ内におけるイオンの運動方程式は、下記のように表される。
【数１】
ｄ²ｘ／ｄζ²＋｛ａ−２ｑcos（２ζ＋π）｝ｘ＝０
ｄ²ｙ／ｄζ²−｛ａ−２ｑcos（２ζ＋π）｝ｙ＝０
ｄ²ｚ／ｄζ²＝０
【数２】
ａ＝±８ｅＵ／（Ｍω²・ｒ₀ ²）
ｑ＝４ｅＶ／（Ｍω²・ｒ₀ ²）
ζ＝ωｔ／２
ｒ₀は電極１００ａ〜１００ｄの内接円の半径、Ｍはイオンの質量数、そして、ｅ＝1.602×10^-19（Ｃ）である。上記をマシュー(Mathieu)の微分方程式として解くことにより、図２に斜線で示す安定領域が得られる。図２において、横軸および縦軸は、それぞれ上記のｑおよびａである。（ｑ，ａ）が安定領域内にあるという条件が満たされる場合には、ｚ軸方向に入射されたイオンは、フィルタ内に閉じ込められたまま移動してフィルタ内を通過する。この時、イオンの軌道は、ｚ軸まわりに複雑に振れ回るものの、フィルタから飛び出すことはない。この場合に、「イオンの軌道が安定する」、または、「イオンが安定軌道を描く」という。一方、（ｑ，ａ）が安定領域外にあるような条件下では、イオンの軌道が安定せずに発散し、イオンはフィルタ内から飛び出してしまう。
【０００８】
図３には、図２の安定領域の頂点部分が拡大して示されている。図中には、Ｕ／Ｖが一定値λ０であるときの直線ｍ０が示されている。ａ／ｑ＝２Ｕ／Ｖであるので、Ｕ／Ｖを一定にすると直線が描かれる。そして、点ｐ（四角形マーク）は、各質量数Ｍに対応する直線ｍ０上の点である。図３では、Ｕ、Ｖがある値のときのｑ、ａの値が質量数Ｍごとに求められ、これらの値に対応する位置に点ｐがプロットされている。各点ｐには該当する質量数が付されている。Ｕ／Ｖを一定値λ０に保ったまま、ＵおよびＶを変化させると、直線ｍ０に沿って点ｐが移動する。なお、詳細には、Ｍ／Ｚ（Ｍ／ｅ）の大きさが影響するが、ここでは、イオンがすべて１価であるものとし、上記のように質量数をパラメータにして考える。
【０００９】
ここで、直線ｍ０は、点ｐが一つしか安定領域内に入らないように設定されている。図３の状態では、質量数４４のイオン（¹²ＣＯ₂が該当）のみが安定軌道を描く。Ｕ／Ｖを一定値λ０に保ってＵ、Ｖをスイープすることにより、安定領域に入るイオンの質量数が順次変化する。以上のようにして、四重極フィルタは、特定の質量数のイオンのみを選択的に通過させる機能を有し、かつ、通過させるイオンを順次変えていく機能を有する。なお、Ｕ／Ｖを一定に保ちながらＵ、Ｖを変化させるための構成として、高周波電圧の一部を整流して直流電圧に供給することが公知である。
【００１０】
図４は、上記の四重極フィルタを備えた分析装置の一例を示しており、この従来装置は、二酸化炭素の同位体分析に適して構成されている。同装置では、図示のように、真空容器２の中に、イオン化装置４、イオンレンズ６、四重極フィルタ８およびファラデーカップ１０が設けられている。真空容器２には、真空ポンプ１２が取り付けられている。
【００１１】
イオン化装置４は箱形タイプであり、容器１４の内部にフィラメント１６を備え、フィラメント１６には、電源１８から電流が供給される。イオン化装置４は、試料供給管２０と連通されている。フィラメント１６に通電した状態で試料供給管２０から気体試料が供給されると、気体試料中の粒子の電子がフィラメントからの電子衝撃によりはじき飛ばされて陽イオンが生成される。
【００１２】
イオンレンズ６では、中心軸２２に沿って複数枚のリング状の円盤２４が同軸に配置され、円盤２４の列の両端には、電源２６によって電圧が印加され、これにより電界が発生する。そして、陽イオンに対して中心軸２２に沿った方向の力が作用し、陽イオンを四重極フィルタ８へ向けて加速する。
【００１３】
四重極フィルタ８は、フィルタ中心軸がイオンレンズの中心軸２２と一致するように配置されている。四重極フィルタの構成は上記の通りであり、定常電圧Ｕと交流電圧Ｖの比は上記の一定値λ０に設定されている。そして、Ｕ、Ｖをスイープする範囲は、質量数４４（¹²ＣＯ₂に該当）および質量数４５（¹³ＣＯ₂に該当）を含む幾つかのイオンが順次安定領域に入るように設定されている。
【００１４】
ファラデーカップ１０は、四重極フィルタ８を通過した陽イオンが衝突するように設けられたイオンコレクタであり、ファラデーカップ１０では、イオンの衝突時に電流が発生する。ファラデーカップ１０には電流計２８が接続されており、電流計２８の測定値によって、衝突したイオンの数の大小が分かる。処理装置３０は、電流計２８の測定値に基づいて二酸化炭素の同位体存在比を求める。
【００１５】
次に、上記構成の分析装置を用いて二酸化炭素の同位体存在比を測定する場合における、分析装置の動作を説明する。試料供給管２０から供給される気体試料は、図示しない濃縮手段にて呼気サンプル中の二酸化炭素を濃縮することにより生成されたものである。気体試料は試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では、二酸化炭素の電子がはじき飛ばされて、１価の陽イオンが生成される。この陽イオンはイオンレンズ６を通過する際に加速され、四重極フィルタ８へ入射される。定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖによって特定される質量数の陽イオンのみが安定軌道を描いてフィルタ内を通過し、ファラデーカップ１０に衝突する。衝突したイオンの数は、電流計２８を用いて測定される。
【００１６】
ここで、定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖのスイープに伴って、四重極フィルタ８を通過する陽イオンが、¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺、¹²Ｃ¹⁸Ｏ¹⁶Ｏ⁺と変化する。従って、上記スイープに伴う電流計２８の測定値の変化に基づいて、処理装置３０では、図５の質量スペクトルが得られる。図５において横軸は陽イオンの質量数であり、縦軸は陽イオンの衝突数の大小を示す。そして、気体試料中の二酸化炭素の同位体存在比が求められ、この同位体存在比からピロリ菌の存在が検出される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）前述のように、四重極フィルタを備えた従来の分析装置は、操作が簡単で装置コストが安いという利点を有する。一方で、従来装置は複数の同位体についての測定を同時に行うことができず、このことが測定精度を悪化させる要因となりうる。この問題を下記に説明する。
【００１８】
従来装置では、図２から明らかなように、一度に一つの質量数のイオンが測定対象とされる。質量数が異なるイオンの分析タイミングは、定常電圧Ｕおよび交流電圧Ｖのスイープに要する時間に応じてずれる。一方、真空槽内のガス圧力や電子回路中のノイズ等は常に変動している。また、イオン化装置におけるイオンの発生量も変動する。従って、質量数の異なるイオンの分析が、それぞれ異なった条件下で行われ、分析条件の相違が分析精度に影響する可能性がある。
【００１９】
特に、同位体分析では精密な測定が要求される。上記の例では、通常の呼気中の¹²ＣＯ₂（質量数４４）と¹³ＣＯ₂（質量数４５）の存在比が９９：１程度であり、胃中にピロリ菌がいる場合でも¹³ＣＯ₂の割合の増加幅はほんのわずかである。このように、同位体の存在比は大きく偏っており、比率の小さい同位体が標識として用いられ、そのために高精度な測定が要求される。ところが、従来装置では、２つの同位体の測定は数分の１秒程度ずれた時期に行われる。分析時期のずれが、同位体分析に要求されるような測定精度に影響を及ぼす可能性がある。（２）従来の分析装置は、図４に示すように、一つの検出手段で２つの同位体の粒子数を検出する。ところが、同位体の存在比は大きく偏っている。そのため、比率の高い粒子に関する測定と、比率の低い粒子に関する測定のどちらにおいても高い測定精度が得られるように検出手段を構成することは困難である。
【００２０】
すなわち、検出手段（例えば電流計）の検出レンジは、比率の高い粒子に合わせて設定する必要がある。これは、比率の低い粒子の測定に適した検出レンジといえない。そのため、比率の低い粒子、すなわち標識された粒子の測定精度の向上が困難である。
【００２１】
例えば、二酸化炭素の同位体存在比の分析では、¹²ＣＯ₂の比率が¹³ＣＯ₂よりも圧倒的に多い。従って、検出手段の検出レンジは、¹²ＣＯ₂の測定時に検出すべき粒子数を網羅するように、広範囲に設定される。しかし、この設定の検出手段を用いては、¹³Ｃ尿素呼気分析に求められるような、元々微小量の¹³ＣＯ₂の僅かな比率増の判別は容易でない。
【００２２】
（３）以上、同位体を対象とする分析を中心に本発明の課題を説明した。しかし、本発明の対象は、同位体分析の場合に限られるものではない。質量数の近い複数種類の粒子を分析するにあたっては、上記と同様の問題が生じうる。
【００２３】
また、ここでは、四重極フィルタを備えた分析装置を例に説明した。しかし、その他の多重極フィルタ（六重極、八重極など）を備えた分析装置を構成する場合においても同様の課題が存在する。多重極フィルタでは、特定の質量数の粒子のみが安定軌道を描くようにフィルタ特性を設定することにより、その機能が発揮される。この点では、四重極フィルタも、他の極数のフィルタも共通する。
【００２４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、多重極フィルタの利点を生かし、かつ、質量数が互いに異なる粒子を分析する際の分析精度の向上を図ることができる同位体分析装置および質量分析装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の同位体分析装置は、気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子について分析する同位体分析装置であって、それぞれ特定の質量数をもつ第１同位体粒子と第２同位体粒子がともに安定軌道を描いてフィルタ内を通過し、第１同位体粒子と第２同位体粒子よりも大きな質量数を持つ粒子及び小さい質量数をもつ粒子の軌道が発散するようにフィルタ特性が設定された前段多重極フィルタと、前段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する前段検出手段と、前段多重極フィルタの後段に直列に設けられ、第１同位体粒子または第２同位体粒子の一方が安定軌道を描いてフィルタ内を通過するようにフィルタ特性が設定された後段多重極フィルタと、後段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する後段検出手段と、前段検出手段と後段検出手段の検出結果に基づき、第１同位体粒子および第２同位体粒子についての分析処理を行う処理手段とを含む。
【００２６】
上記において、粒子数は、各フィルタを通過した粒子の数そのものでもよいが、この粒子数を示すなんらかの情報、パラメータでもよい。例えば、質量分析の際に用いられるイオン電流値でもよい。また、粒子数が分かる二次電子増倍管等によるイオンのカウント数でもよい。そして、後述するように、フィルタを通過した粒子のうちの一定割合の粒子数でもよい。
【００２７】
ここで、第１同位体粒子と第２同位体粒子は、質量数が１だけ異なるもの（例えば¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂）でも、質量数が２以上異なるもの（例えば¹⁴Ｎ₂と¹⁵Ｎ₂）でもよい。
【００２８】
前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタは、例えば、それぞれ四重極フィルタである。この場合、両フィルタにおけるそれぞれの上記フィルタ特性を得るためには、前述の印加電力の定常成分と交流成分の比率を両フィルタで異なって設定する。多重極フィルタは、四重極以外のもの、例えば六重極や八重極でもよい。そして、前段と後段では、極数が異なっていてもよい。
【００２９】
本発明によれば、気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子が前段多重極フィルタを通過して、これらの粒子の粒子数が検出される。前段多重極フィルタを通過した第１同位体粒子および第２同位体粒子は、後段多重極フィルタに送られる。ここでは、一方の同位体粒子が後段フィルタを通過し、その粒子数が検出される。従って、両検出結果を用いれば、第１、第２同位体粒子についての分析処理が可能である。この分析処理とは、例えば、第１同位体粒子と第２同位体粒子の存在比の算出である。
【００３０】
ここで、従来の多重極フィルタは、図３に示したように、一度に一つの質量数の粒子のみを通過させるように構成するのが一般的であった。そして、従来装置では、一方の同位体粒子の分析後、ある程度の時間をおいて与えられた気体試料を対象として他方の同位体粒子の分析が行われる。
【００３１】
このような従来装置と異なり、本発明では、前段多重フィルタのフィルタ特性が、二つの質量数の粒子を通過させるように設定されている。そして、これに直列に設けられた後段多重フィルタでは、上記二つの質量数の粒子の一方を通過させるように設定されている。二つのフィルタの直列配置により、二つの同位体粒子についての分析を同時に行うことができる。すなわち、本発明の分析装置では、一度に与えられた気体試料を対象として両方の同位体粒子の分析が行われる。そして、前段検出手段と後段検出手段での検出はほぼ同時に行われる。従って、本発明によれば、二つの同位体粒子についての分析タイミングのずれに伴う分析精度への影響が排除され、分析精度の向上を図ることができる。
【００３２】
以上、本発明によれば、取扱いやすく低コストであるという多重極フィルタ式分析装置の利点を生かし、かつ、分析精度の向上を図ることができる。
【００３３】
（２）本発明の一態様において、前段検出手段と後段検出手段では、各検出手段で検出すべき粒子数の程度に応じ、検出レンジが異なって設定される。前段検出手段の検出レンジは、第１同位体と第２同位体の粒子数に対応して設定される。そして、後段検出手段の検出レンジは、一方の同位体の粒子数に対応して設定される。従って、第１同位体と第２同位体の粒子数が大きく異なる場合でも、それぞれの粒子数が正確に測定される。
【００３４】
例えば、二酸化炭素の存在比の分析では、¹²ＣＯ₂の比率が¹³ＣＯ₂のよりも圧倒的に多い。このときに、前段検出手段の検出レンジは、両同位体の粒子数に対応して設定する。後段検出手段の検出レンジは、¹³ＣＯ₂の粒子数に対応して設定する。これにより、微小量しか存在しない¹³ＣＯ₂についても正確な測定が可能である。
【００３５】
（３）また、本発明の一態様では、前段検出手段は、前段多重極フィルタを通過した粒子を部分的に捉える部分的捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計とを有し、後段検出手段は、後段多重極フィルタを通過した粒子を捉える捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計を有し、前記処理手段での存在比の算出は、両電流計の測定値と、部分的捕捉手段の捕捉率を示すパラメータとに基づいて行われる。
【００３６】
部分的捕捉手段は、前段多重極フィルタを通過した粒子の一部がこの手段に衝突するように構成され、衝突粒子数に応じた電流を発生する。一方、上記の捕捉手段は、後段多重極フィルタを通過した粒子がこの手段に衝突するように構成され、衝突粒子数に応じた電流を発生する。各電流計の測定値からそれぞれのフィルタを通過した粒子数がわかる。
【００３７】
捕捉手段は、例えば前述のファラデーカップ、イオンコレクタである。また、部分的捕捉手段は、ファラデーカップやイオンコレクタであって、一部の粒子を透過させるように構成されたものである。
【００３８】
捕捉率は、部分的捕捉手段にて捕捉される粒子の割合である。捕捉率を示すパラメータは、例えば捕捉率そのものであり、また例えば、部分的捕捉手段における粒子の透過率でもよい。
【００３９】
多重極フィルタを通るイオンのエネルギー量は少ないので、粒子数を正確に検出するためには、上記のような粒子衝突時に電流を発生する捕捉手段を用いることが好ましい。ここで、前段検出手段ですべてのイオンを捕捉すると、後段での測定ができない。しかし、本発明では、前段に部分的捕捉手段を設けることにより、前段および後段での測定が可能である。
【００４０】
（４）本発明において、好ましくは、気体試料を各フィルタへ方向づけするとともに加速させるイオンレンズが、前段多重極フィルタの前段と、後段多重極フィルタの前段とにそれぞれ設けられる。これにより、前段多重極フィルタを通過した粒子の方向づけと速度が、後段のイオンレンズで再度調整される。
【００４１】
また、好ましくは、イオン化手段が、前段多重極フィルタの前段に設けられる。このイオン化手段でイオン化した気体試料がフィルタに導入されて同時測定され、正確な分析が行われる。また、好ましくは、前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタは、一つの真空容器内に設けられる。
【００４２】
また、好ましくは、気体試料中の前記同位体粒子の濃度を増すための濃縮手段が、前段多重極フィルタの前段に設けられる。例えば、前述の¹³Ｃ尿素呼気分析において、呼気中の二酸化炭素を濃縮しておくことにより、測定精度に対する他の物質（酸素、窒素など）の影響が低減する。濃縮手段としては、例えば、ガスクロマトグラフィが挙げられる。
【００４３】
（５）一方、本発明の別の態様は気体試料中の質量数の近い複数種類の粒子について分析する質量分析装置であり、この質量分析装置は、直列に設けられた複数の多重極フィルタを有し、後段のフィルタに行くに従って、安定軌道を描いてフィルタ内を通過する粒子の質量数範囲が狭く設定された多重極フィルタ列と、前記複数の多重極フィルタのそれぞれを通過した気体試料の粒子数を検出する検出手段とを含む。
【００４４】
上記構成によれば、後段のフィルタに行くに従って、少ない種類の粒子の粒子数が検出される。従って、各段での検出結果に基づいて、複数種類の粒子についての分析が可能である。ここでの分析では、例えば、複数種類の粒子についての質量スペクトルを求めてもよい。また、前述のように粒子の存在比を求めてもよい。
【００４５】
本発明は、前述の（１）に示したように、同位体分析用に好適に適用される。後段のフィルタほどフィルタ内を通過する粒子の質量数範囲を狭くするので、質量数が近い粒子の分析に適しているからである。しかし、同位体分析に限られず、他の粒子の質量分析にも適用可能である。特に質量数が近いが異なる種類の粒子の分析には、同位体分析と同様に、好適に適用される。
【００４６】
また、上記構成では、多重極フィルタ列に含まれるフィルタ数を３以上としてもよい。これにより、３種類以上の粒子（同位体粒子を含む）の測定が可能である。なお、フィルタ数を２とした場合には、前述の（１）の同位体分析装置と同様のフィルタ列の構成になる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面を参照し説明する。
【００４８】
「実施形態１」
実施形態１の分析装置は、二酸化炭素の同位体存在比の分析用に構成されている。ここでは、この分析装置が¹³Ｃ尿素呼気分析に用いられる。以下では、まず、図６を参照して、この分析装置の原理を説明する。
【００４９】
本実施形態では、前述の図１に示した四重極フィルタが、直列に２つ設けられる。前段側を前段フィルタ、後段側を後段フィルタという。各フィルタの全長は、１０cm程度、４つの電極の内接円の半径は約０．３cm、交流電圧の周波数は３．５ＭHz程度に設定されている。前段フィルタと後段フィルタでは、下記のように、フィルタ特性が異なって設定される。
【００５０】
前段フィルタでは、¹²ＣＯ₂（質量数４４）と¹³ＣＯ₂（質量数４５）が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１、Ｖ１に固定されている。図６には、この時のＵ１／Ｖ１＝λ１に対応する直線ｍ１が示されている。図示のように、直線ｍ１上では、質量数４４、４５に対応する点ｐ４４、ｐ４５（四角形マーク）が安定領域内にある。図６から明らかなように、ここでのλ１は、図３の従来装置のλ０よりも小さく設定される。
【００５１】
一方、後段フィルタでは、¹³ＣＯ₂（質量数４５）が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ２、Ｖ２に固定されている。図６には、この時のＵ２／Ｖ２＝λ２に対応する直線ｍ２が示されている。図示のように、直線ｍ２上では、質量数４５に対応する点ｐ４５が安定領域内にある。なお、ここでのλ２は、前述の図３のλ０と等しく設定してもよい。
【００５２】
気体試料はまず前段フィルタに入射され、¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂のみが前段フィルタを通過する。そして、前段フィルタを通過した¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂が後段フィルタに入射されるが、ここでは、¹³ＣＯ₂のみが後段フィルタを通過する。従って、前段を通過して後段を通過しなかった粒子数と、前段および後段を通過した粒子数との比が、同位体存在比である。
【００５３】
実際には、前段フィルタの通過した粒子の一部Ｒ％（捕捉率という）を半透過型のファラデーカップで捉え、この一部分についての粒子数Ｎ１を測定する。そして、残りの（１００−Ｒ）％の粒子が後段フィルタに送られる。後段フィルタを通過した粒子は、別のファラデーカップに捉えられ、その粒子数Ｎ２が測定される。そこで、本実施形態では、下式（１）のように同位体存在比が導き出される。
【００５４】
【数３】
｛ N1×100/R−N2×100/(100−R)｝：｛ N2×100/(100−R)｝・・・（１）
ここで、N1×100/R−N2×100/(100−R)は、気体試料中の陽イオン¹²ＣＯ₂ ⁺の数に相当し、N2×100/(100−R)は、陽イオン¹³ＣＯ₂ ⁺の数に相当する。そして、胃中にピロリ菌がいない場合よりも¹³ＣＯ₂ ⁺の比率が高いことをもって、ピロリ菌の存在が検出される。ただし、存在比の算出方法は、適宜変更してもよい。例えば、電流値から直接算出する計算式をたててもよい。
【００５５】
なお、本実施形態では、各フィルタにおいて、従来のような定常電圧Ｕおよび交流電圧のスイープは原則として行われない。この分析装置は、電圧値をスイープして、未知の物体の質量を測定するといった使い方は想定していない。分析対象の同位体が決められており（ここでは、二酸化炭素）、その同位体の存在比を測定する場合に用いられる。
【００５６】
図７は、本実施形態の同位体分析装置の構成を示す。図７において、図４同等の部材には同一の符号を与え、これらの部材についての説明は適宜省略する。
【００５７】
この分析装置では、真空容器２の中に、イオン化装置４、第１イオンレンズ３２、前段フィルタ３４、半透過型ファラデーカップ３６、第２イオンレンズ３８、後段フィルタ４０、ファラデーカップ４２が順次設けられている。第１イオンレンズ３２からファラデーカップ４２まで、同軸上に配置されている。第１イオンレンズ３２、第２イオンレンズ３８の構成は、図４のイオンレンズ６と同様である。また、前段フィルタ３３、後段フィルタ４０は、それぞれ、図６に示したフィルタ特性を有する四重極フィルタである。
【００５８】
半透過型ファラデーカップ３６は、前段フィルタ３４を通過した陽イオンが衝突するように設けられたイオンコレクタである。ただし半透過型ファラデーカップ３６には、一部のイオンが衝突し、残りのイオンは透過する。半透過型ファラデーカップ３６は、例えば複数の透過孔を設けた円盤を有し、透過孔を通って粒子が透過する。ここで、前述のように、半透過型ファラデーカップ３６に入射される粒子数に対する、透過せずに衝突する粒子数の割合を「捕捉率Ｒ％」とする。捕捉率Ｒ％は、後述する方法によって実測可能である。半透過型ファラデーカップ３６には、電流計５０が接続されている。電流計５０によって、イオンの衝突時に発生する電流が測定され、測定値から、衝突したイオンの数が分かる。一方、ファラデーカップ４２の構成は、図４のファラデーカップ１０と同様であり、ファラデーカップ４２には電流計５２が接続されている。
【００５９】
電流計５０、電流計５２の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に応じて異なって設定されている。¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の存在比は９９：１程度であるので、電流計５０で検出すべき電流値の方が圧倒的に大きく、電流計５２で検出すべき電流値は微小である。そこで、電流計５０と比べ、電流計５２の測定レンジは、小さい電流値に適して設定されている。各電流計５０、５２は、それぞれの測定レンジでの高い測定精度を得るように構成され、調整されている。
【００６０】
処理装置５４は、電流計５０および電流計５２と接続されている。処理装置５４は、電流計５０および電流計５２の測定値を基に、半透過型ファラデーカップ３６、ファラデーカップ４２に衝突したイオン数Ｎ１、Ｎ２を求め、前述の式（１）に従って同位体存在比を求める。
【００６１】
次に、本実施形態の分析装置の動作を説明する。試料供給管２０から供給される気体試料は、図示しない濃縮手段にて呼気サンプル中の二酸化炭素を濃縮することにより生成されたものである。濃縮手段は、例えばガスクロマトフラフィである。また、本出願人による特願平８−３３１２９４号または特願平８−３３３４８７号に記載された呼気採集装置を使用すれば、採集装置が濃縮手段として機能し、呼気封入容器には二酸化炭素が濃縮されて封入される。
【００６２】
濃縮状態の気体試料は試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では、フィラメントからの電子衝撃により二酸化炭素の電子がはじき飛ばされて、１価の陽イオンが生成される。なお、すべての気体試料をイオン化する必要はない。陽イオンは第１イオンレンズ３２を通過する際に加速され、前段フィルタ３４へ入射される。
【００６３】
前段フィルタ３４は、前述の図６の直線ｍ１のフィルタ特性に従って動作することにより、陽イオン¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺のみを通過させる。この際、両イオンは、中心軸まわりに振れ回る複雑な軌道を描きながらも、フィルタ内に閉じ込められたまま進む。すなわち、両イオンは安定軌道を描いてフィルタ内を進む。そして、通過した陽イオンのＲ％が、半透過型ファラデーカップ３６に衝突する。処理装置５４は、電流計５０の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１を求める。
半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオンは、前段フィルタ３４を通過したイオンの（１００−Ｒ）％である。半透過型ファラデーカップ３６の通過前後で、¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺の比率は変わらない。半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオンは、第２イオンレンズ３８に進む。
【００６４】
陽イオンは、前段フィルタ３４を通過する間、中心軸まわりに振れ回りながら進む。第２イオンレンズ３８では、陽イオンの運動方向が、後段フィルタ４０の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、後段フィルタ４０に入射される。
【００６５】
後段フィルタ４０は、前述の図６の直線ｍ２のフィルタ特性に従って動作することにより、陽イオン¹³ＣＯ₂ ⁺のみを通過させる。すなわち、¹³ＣＯ₂ ⁺のみが安定軌道を描いてフィルタ内を進む。通過した¹³ＣＯ₂ ⁺は、ファラデーカップ４２に衝突する。処理装置５４は、電流計５２の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ２を求める。
【００６６】
処理装置５４は、イオン数Ｎ１、Ｎ２と、半透過型ファラデーカップ３６での捕捉率Ｒから、前述の式（１）を用いて¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺の存在比を求める。そして、胃中にピロリ菌がいない場合よりも¹³ＣＯ₂ ⁺の比率が高いことをもって、ピロリ菌の存在が検出される。
【００６７】
なお、本実施形態では、測定精度の向上のために、同位体存在比が既知の標準試料と、呼気サンプルを濃縮した気体試料とを交互に測定する。すなわち、標準試料を分析し、測定結果の存在比と、既知である真の存在比の相違を求める。この相違を用いて、気体試料の分析時に得られる存在比を補正する。交互測定を行うのは、前後段のフィルタの感度が同一でないことを考慮したものである。
【００６８】
また、前述の半透過型ファラデーカップ３６の捕捉率Ｒ％は、下記のように求められる。捕捉率Ｒ％の測定のために、前段フィルタ３４、後段フィルタ４０のフィルタ特性を同じに設定する。ここでは、¹²ＣＯ₂ ⁺（または¹³ＣＯ₂ ⁺）のみがフィルタ内を通過するようにフィルタ特性を設定する。そして、両フィルタに同一仕様の電流計を接続する。この状態で、上記と同様に分析装置を動作させる。このときに前段および後段での粒子数の検出値をＮａ、Ｎｂとすれば、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｎｂ）×100が捕捉率Ｒ％に相当する。
【００６９】
以上、本実施形態の分析装置の構成と動作を説明した。本実施形態では、イオン化装置４にて一度に生成されたイオンを対象として、¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺のイオン数が測定される。そして、半透過型ファラデーカップ３６とファラデーカップ４２での測定は、ほぼ同時に行われる。従って、¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺の分析に際し、真空槽内のガス圧力や電子回路中のノイズ、イオン化装置４におけるイオンの発生量などが測定条件が同等である。分析条件を同等とすることにより、測定精度の向上を図ることができる。
【００７０】
また、従来は、一つの電流計が¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺両方についての測定に用いられていた。しかし、両イオンの存在比は大きく偏っているので、測定すべき電流値の程度も大きく異なる。そのため、両イオンについての高精度な測定は容易でなかった。これに対し、本実施形態では、二つの電流計５０、５２が用いられ、各電流計５０、５２の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に適して設定される。すなわち、¹²ＣＯ₂ ⁺および¹³ＣＯ₂ ⁺を測定対象とする電流計５０の測定レンジは、比較的大きな電流値に適して設定される。一方、¹³ＣＯ₂ ⁺のみを測定対象とする電流計５２の測定レンジは、小さい電流値に適して設定される。この場合、各電流計５０、５２を、それぞれの測定レンジでの高い測定精度を得るように構成することができる。従って、電流値の測定精度を高め、分析精度の向上を図ることができる。
【００７１】
特に、¹³Ｃ尿素呼気分析では、元々微小な¹³ＣＯ₂のわずかな増加を検出しなければならない。そのため、分析装置には、高い測定精度が要求される。本実施形態は、この高い分析精度を得るために好適に用いられる。
【００７２】
なお、本実施形態では、二酸化炭素を分析対象とする同位体分析装置を説明した。しかし、この分析装置は、他の同位体の分析用にも構成できる。例えば、¹⁴Ｎ₂、¹⁵Ｎ₂の存在比を測定する装置が考えられる。この場合、前段フィルタのフィルタ特性は、質量数２８（¹⁴Ｎ₂に対応）、質量数３０（¹⁵Ｎ₂に対応）のイオンが安定軌道を描くように設定する。後段フィルタのフィルタ特性は、質量数３０のイオンが安定軌道を描くように設定する。これにより、上記と同様の構成にて¹⁴Ｎ₂、¹⁵Ｎ₂の存在比を分析できる。
【００７３】
また、各フィルタの定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖの設定値を変更可能とし、任意の同位体を分析できる装置としてもよい。ここでの設定値の変更は、図６に示したようなＵ１、Ｖ１およびＵ２、Ｖ２の値の変更である。
【００７４】
その他、本実施形態では、四重極フィルタを備えた分析装置について説明したが、前述のように、他の極数のフィルタを備えた構成としてもよい。この場合も、前段フィルタには、¹²ＣＯ₂ ⁺、¹³ＣＯ₂ ⁺がフィルタ内を通過するようなフィルタ特性を与え、後段フィルタには、¹³ＣＯ₂ ⁺がフィルタ内を通過するようなフィルタ特性を与えればよい。
【００７５】
また、本実施形態では、半透過ファラデーカップ３６に一部の粒子を衝突させるように構成し、捕捉率Ｒ％を用いて存在比を算出した。エネルギーレベルの低いイオンの粒子数の正確な検出を図るためである。これに対し、粒子を衝突させることなく、粒子数を検出する装置を設けてもよい。このときは、捕捉率Ｒ％を用いずに存在比を算出可能である。
【００７６】
「実施形態２」
上記の実施形態１は、本発明が同位体分析装置に適用された。これに対し、実施形態２は、同位体分析以外にも使用可能な質量分析装置として構成される。
【００７７】
ここでは、質量数ｎ１〜ｎ５の粒子（各粒子の質量数は、１ずつ異なる）を考える。この分析装置は、与えられた気体試料を分析して図８に示すような粒子数分布を求める。すなわち、質量数ｎ１、ｎ２と、質量数ｎ３と、質量数ｎ４、５との３ランクのそれぞれの粒子数である。
【００７８】
図９は、本実施形態の同位体分析装置の構成を示す。図９において、図４または図７同等の部材には同一の符号を与え、これらの部材についての説明は適宜省略する。
【００７９】
この分析装置では、真空容器２の中に、イオン化装置４、第１イオンレンズ６０、第１フィルタ６２、第１半透過型ファラデーカップ６４、第２イオンレンズ６６、第２フィルタ６８、第２半透過型ファラデーカップ７０、第３イオンレンズ７２、第３フィルタ７４、ファラデーカップ７６が順次設けられている。第１イオンレンズ６０からファラデーカップ７６まで、同軸上に配置されている。各イオンレンズ、半透過型ファラデーカップ、ファラデーカップの構成は、実施形態１と同様である。
【００８０】
第１フィルタ６２、第２フィルタ６８、第３フィルタ７４は、それぞれ図１に示すような四重極フィルタである。図１０は、各フィルタのフィルタ特性を示している。
【００８１】
第１フィルタ６２では、質量数ｎ１〜ｎ５の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１１、Ｖ１１に固定されている。図１０には、この時のＵ１１／Ｖ１１＝λ１１に対応する直線ｍ１１が示されている。図示のように、直線ｍ１１上では、質量数ｎ１〜ｎ５に対応する点（四角形マーク）が安定領域内にある。
【００８２】
また、第２フィルタ６８では、質量数ｎ１〜ｎ３の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１２、Ｖ１２に固定されている。図１０において、Ｕ１２／Ｖ１２＝λ１２に対応する直線ｍ１２上では、質量数ｎ１〜ｎ３に対応する点が安定領域内にある。図示のように、λ１２＞λ１１の関係にある。
【００８３】
また、第３フィルタでは、質量数ｎ３の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１３、Ｖ１３に固定されている。図１０において、Ｕ１３／Ｖ１３＝λ１３に対応する直線ｍ１３上では、質量数ｎ３に対応する点が安定領域内にある。図示のように、λ１３＞λ１２の関係にある。
【００８４】
第１半透過型ファラデーカップ６４（捕捉率Ｒ１％）、第２半透過型ファラデーカップ７０（捕捉率Ｒ２％）、ファラデーカップ７６には、それぞれ、電流計７８、８０、８２が接続されている。実施形態１と同様に、各電流計での測定値から、各カップに衝突したイオンの数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３が分かる。ここでも、各電流計の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に適するように異なって設定されている。
【００８５】
また、処理装置８４が各電流計７８、８０、８２に接続されている。処理装置８４は、電流測定値から上記の衝突イオン数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３を求め、これらから、図８に示した粒子数分布を求める。
【００８６】
実施形態２の分析装置の動作を説明する。なお、実施形態１と同様の内容の説明は、適宜省略する。
【００８７】
気体試料は、試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では陽イオンが生成され、この陽イオンは第１イオンレンズ６０を通過する際に加速され、第１フィルタ６２へ入射される。第１フィルタ６２は、図１０の直線ｍ１１のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ１〜ｎ５のイオンを通過させる。通過したイオンのＲ１％が第１半透過型ファラデーカップ６４に衝突する。処理装置８４は、電流計７８の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１１を求める。半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオン（質量数ｎ１〜ｎ５）は、第２イオンレンズ６６に達する。第２イオンレンズ６６では、陽イオンの運動方向が、第２フィルタ６８の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、第２フィルタ６８に入射される。
【００８８】
第２フィルタ６８は、図１０の直線ｍ１２のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ１〜ｎ３のイオンを通過させる。通過したイオンのＲ２％が第２半透過型ファラデーカップ７０に衝突する。処理装置８４は、電流計８０の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１２を求める。第２半透過型ファラデーカップ７０を通過した陽イオン（質量数ｎ１〜ｎ３）は、第３イオンレンズ７２に達する。第３イオンレンズ７２では、陽イオンの運動方向が、第３フィルタ７４の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、第３フィルタ７４に入射される。
【００８９】
第３フィルタ７４は、図１０の直線ｍ１３のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ３のイオンを通過させる。通過したイオンは、ファラデーカップ７６に衝突する。処理装置８４は、電流計８２の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１３を求める。
【００９０】
処理装置８４は、求めたイオンの数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３から図８の粒子数分布を作成する。ここでは、イオン化装置４にて生成され、分析対象となったイオンのうち、質量数ｎ４またはｎ５のイオンの数は、下式（２）により与えられる。同様に、質量数ｎ１、ｎ２のイオンの数は下式（３）より与えられ、質量数ｎ３のイオンの数は下式（４）より与えられる。
【００９１】
【数４】
N11×100/R1 − N12×100/(100−R1)×100/R2 ・・・（２）
【数５】
N12×100/(100−R1)×100/R2 − N13×100/(100−R1)×100/(100-R2) ・・・（３）
【数６】
N13×100/(100−R1)×100/(100-R2) ・・・（４）
処理装置８４は、各式から得られたイオン数を用いて粒子数分布を求める。なお、試料中に質量数ｎ２、ｎ４の粒子が含まれていないとすれば、図８は、そのまま質量数ｎ１、ｎ３、ｎ５の粒子についての粒子数分布となる。
【００９２】
以上、本実施形態の質量分析装置の構成と動作を説明した。このように、本発明は、同位体以外の粒子の質量分析にも適用可能である。また、直列に設けるフィルタの数を増やすことにより、２種類以上の粒子についての同時分析を行うことができる。
【００９３】
なお、本実施形態では、３つのフィルタが設けられているが、４つ以上のフィルタを設けてもよいことはもちろんである。各段のフィルタのフィルタ特性は、適宜、自由に設定できる。例えば、４つのフィルタを設ける場合において、各段のフィルタ特性として設定される質量数の範囲は、（４、３、２、１）の他、（８、６、４、２）や（３、２、２、１）など、任意の組み合わせに定められる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、多重極フィルタを備えた分析装置にて、質量数が異なる粒子を同時に分析することが可能になる。従って、測定条件の時間的変動という誤差要因の測定結果への影響が低減される。また、本発明によれば、質量数が異なる粒子の分析において、粒子間の存在量が大きく偏る場合でも、粒子数が正確に検出される。これは、各検出手段の検出レンジを、検出すべき粒子数に適して設定することにより実現される。
【００９５】
このようにして、本発明によれば、取扱いが容易で低コストであるという多重極フィルタの利点を生かしつつ、分析精度の向上を図ることができる。本発明が¹³Ｃ尿素呼気分析に利用された場合、本発明は、ピロリ菌の容易かつ正確な検出に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】四重極フィルタの構成を示す説明図である。
【図２】四重極フィルタにおいて粒子が安定した軌道を描く安定領域を示す説明図である。
【図３】図２の安定領域の頂点部分であり、従来の分析装置のフィルタ特性を示す拡大図である。
【図４】従来の四重極フィルタを備えた質量分析装置の構成図である。
【図５】図４の装置によって求められる質量スペクトルを示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態１の同位体分析装置の原理として、フィルタ特性を示す説明図である。
【図７】実施形態１の同位体分析装置の構成図である。
【図８】実施形態２の質量分析装置によって求められる粒子数分布を示す説明図である。
【図９】実施形態２の質量分析装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施形態２の各フィルタのフィルタ特性を示す説明図である。
【符号の説明】
２真空容器、４イオン化装置、６イオンレンズ、８四重極フィルタ、１０，４２ファラデーカップ、２０試料供給管、２８，５０，５２電流計、３０，５４処理装置、３２第１イオンレンズ、３４前段フィルタ、３６半透過型ファラデーカップ、３８第２イオンレンズ、４０後段フィルタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an isotope analyzer, and more particularly, to an analyzer using a function of a multipole filter (also referred to as a mass filter) that selectively allows particles (atoms or molecules) having a specific mass number to pass therethrough. The present invention also relates to a mass spectrometer using the same principle.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the field of medicine and the like, examinations using a stable isotope labeling function have been performed. This type of inspection has the advantage that, unlike the inspection using radioisotopes, there is no need to consider exposure.
[0003]
In recent years, as one of the tests using stable isotopes, the presence of Helicobacter pylori (hereinafter referred to as Helicobacter pylori) in the stomach is detected.¹³C urea breath analysis is drawing attention. Helicobacter pylori is considered to be a causative bacterium such as gastritis, gastric ulcer, and duodenal ulcer. Since H. pylori has a ureolytic enzyme and lives in a strong acidity, it produces ammonia from urea in the stomach to neutralize gastric acid. Carbon dioxide is generated during the decomposition of urea by Helicobacter pylori and is absorbed into the blood vessels of the stomach and carried to the lungs. This carbon dioxide is contained in exhaled air through gas exchange in the alveolar cells, and is exhaled together with the exhaled air. Therefore,¹³In C urea breath analysis,¹³The urea labeled with C is orally administered to the human body. And collect the exhalation, during exhalation¹³CO₂,¹²CO₂Analyze the abundance ratio. Than when H. pylori is not present¹³CO₂It is determined that Helicobacter pylori exists.
[0004]
Conventionally, a magnetic field type mass spectrometer has been used for measurement of the isotope abundance ratio. However, the magnetic mass spectrometer requires a skill in operation and has a disadvantage that the apparatus cost is relatively high. On the other hand, a mass spectrometer equipped with a quadrupole filter has the advantage that it is easy to operate and the cost of the apparatus is low.
[0005]
Hereinafter, a mass spectrometer equipped with a conventional quadrupole filter will be described. This type of conventional apparatus includes, for example, “vacuum physics and applications (physics selection book 11)” by Hiroo Kumagai, Goro Tominaga, et al. It is shown on pages 129 to 132 of the Nikkan Kogyo Shimbun, edited by the Association.
[0006]
First, the principle of the quadrupole filter will be described. FIG. 1 shows the configuration of a quadrupole filter. As shown in the figure, the description will be made by setting the x axis, the y axis, and the z axis. The z axis is the center axis of the quadrupole filter, and the x axis and the y axis are orthogonal to the z axis. The quadrupole filter includes columnar electrodes 100a to 100d that are arranged at equal intervals around a central axis. That is, the electrodes 100a to 100d are arranged in parallel to the z axis and at an equal distance from the z axis. The electrodes 100a and 100c are arranged symmetrically across the y axis, and the electrodes 100b and 100d are arranged symmetrically across the x axis. ,
Further, the quadrupole filter is provided with a power supply unit 102, and the power supply unit 102 generates an applied voltage ± {U + Vcos (ωt)} obtained by synthesizing the steady voltage U and the high-frequency AC voltage Vcos (ωt). Here, V and ω are amplitude and angular velocity, respectively. The electrodes 100a and 100c are connected to one terminal of the frequency power supply unit 102, and the electrodes 100b and 100d are connected to the other terminal. As a result, a voltage whose phase is shifted by 1/2 wavelength is applied to the electrodes 100a and 100c and the electrodes 100b and 100d. The magnitudes of U and V are controlled by a control unit (not shown).
[0007]
The equation of motion of ions in the quadrupole filter is expressed as follows.
[Expression 1]
d²x / dζ²+ {A-2qcos (2ζ + π)} x = 0
d²y / dζ²-{A-2qcos (2ζ + π)} y = 0
d²z / dζ²= 0
[Expression 2]
a = ± 8 eU / (Mω²・ R₀ ²)
q = 4 eV / (Mω²・ R₀ ²)
ζ = ωt / 2
r₀Is the radius of the inscribed circle of the electrodes 100a to 100d, M is the mass number of the ions, and e = 1.602 × 10^-19(C). By solving the above as a Mathieu differential equation, the stable region shown by the diagonal lines in FIG. 2 is obtained. In FIG. 2, the horizontal axis and the vertical axis are q and a, respectively. When the condition that (q, a) is in the stable region is satisfied, ions incident in the z-axis direction move while passing in the filter and pass through the filter. At this time, the ion trajectory swings around the z-axis in a complicated manner, but does not jump out of the filter. In this case, it is referred to as “the ion orbit is stable” or “the ion draws a stable orbit”. On the other hand, under the condition that (q, a) is outside the stable region, the ion trajectory diverges without being stable, and the ions jump out of the filter.
[0008]
FIG. 3 shows an enlarged top portion of the stable region of FIG. In the figure, a straight line m0 when U / V is a constant value λ0 is shown. Since a / q = 2 U / V, a straight line is drawn when U / V is constant. A point p (rectangular mark) is a point on the straight line m0 corresponding to each mass number M. In FIG. 3, the values of q and a when U and V are certain values are obtained for each mass number M, and the point p is plotted at a position corresponding to these values. Each point p is given a corresponding mass number. If U and V are changed while U / V is kept at a constant value λ0, the point p moves along the straight line m0. In detail, although the magnitude of M / Z (M / e) affects, here, all ions are assumed to be monovalent, and the mass number is considered as a parameter as described above.
[0009]
Here, the straight line m0 is set so that only one point p falls within the stable region. In the state of FIG. 3, ions with mass number 44 (¹²CO₂Only applies a stable orbit. By sweeping U and V while keeping U / V at a constant value λ0, the mass number of ions entering the stable region changes sequentially. As described above, the quadrupole filter has a function of selectively passing only ions having a specific mass number, and a function of sequentially changing the ions to be passed. As a configuration for changing U and V while keeping U / V constant, it is known to rectify a part of the high-frequency voltage and supply it to a DC voltage.
[0010]
FIG. 4 shows an example of an analyzer equipped with the above-described quadrupole filter, and this conventional device is suitable for carbon dioxide isotope analysis. In the apparatus, as shown in the figure, an ionizer 4, an ion lens 6, a quadrupole filter 8, and a Faraday cup 10 are provided in a vacuum vessel 2. A vacuum pump 12 is attached to the vacuum vessel 2.
[0011]
The ionization device 4 is a box-type, and includes a filament 16 inside the container 14. A current is supplied to the filament 16 from a power source 18. The ionizer 4 is in communication with the sample supply pipe 20. When a gas sample is supplied from the sample supply tube 20 while the filament 16 is energized, the electrons of the particles in the gas sample are repelled by electron impact from the filament, and cations are generated.
[0012]
In the ion lens 6, a plurality of ring-shaped discs 24 are coaxially arranged along the central axis 22, and a voltage is applied to both ends of the row of the discs 24 by a power source 26, thereby generating an electric field. A force in the direction along the central axis 22 acts on the positive ions, and accelerates the positive ions toward the quadrupole filter 8.
[0013]
The quadrupole filter 8 is arranged so that the filter center axis coincides with the center axis 22 of the ion lens. The configuration of the quadrupole filter is as described above, and the ratio between the steady voltage U and the AC voltage V is set to the constant value λ0. The range for sweeping U and V is the mass number 44 (¹²CO₂Corresponding to) and mass number 45 (¹³CO₂It is set so that several ions including (corresponding to (1)) sequentially enter the stable region.
[0014]
The Faraday cup 10 is an ion collector provided so that positive ions that have passed through the quadrupole filter 8 collide with each other. In the Faraday cup 10, a current is generated when ions collide. An ammeter 28 is connected to the Faraday cup 10, and the measured value of the ammeter 28 indicates the number of colliding ions. The processing device 30 obtains the isotope abundance ratio of carbon dioxide based on the measurement value of the ammeter 28.
[0015]
Next, the operation of the analyzer when measuring the isotope abundance ratio of carbon dioxide using the analyzer configured as described above will be described. The gas sample supplied from the sample supply pipe 20 is generated by concentrating carbon dioxide in the expired sample by a concentration means (not shown). The gas sample is supplied from the sample supply pipe 20 to the ionizer 4. In the ionizer 4, carbon dioxide electrons are repelled and monovalent cations are generated. The positive ions are accelerated when passing through the ion lens 6 and are incident on the quadrupole filter 8. Only positive ions having a mass number specified by the steady voltage U and the AC voltage V pass through the filter in a stable orbit and collide with the Faraday cup 10. The number of impacted ions is measured using an ammeter 28.
[0016]
Here, as the steady voltage U and the alternating voltage V sweep, positive ions passing through the quadrupole filter 8 are¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺,¹²C¹⁸O¹⁶O⁺And change. Therefore, based on the change in the measured value of the ammeter 28 accompanying the sweep, the processing apparatus 30 can obtain the mass spectrum of FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the mass number of cations, and the vertical axis represents the number of collisions of cations. Then, the isotope abundance ratio of carbon dioxide in the gas sample is determined, and the presence of H. pylori is detected from this isotope abundance ratio.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
(1) As described above, the conventional analyzer equipped with the quadrupole filter has the advantage that the operation is simple and the device cost is low. On the other hand, the conventional apparatus cannot simultaneously measure a plurality of isotopes, which can be a factor of deteriorating measurement accuracy. This problem is explained below.
[0018]
In the conventional apparatus, as is apparent from FIG. 2, ions having one mass number are measured at a time. The analysis timing of ions having different mass numbers is shifted according to the time required for sweeping the steady voltage U and the AC voltage V. On the other hand, the gas pressure in the vacuum chamber, the noise in the electronic circuit, etc. are constantly changing. In addition, the amount of ions generated in the ionizer varies. Therefore, ions having different mass numbers are analyzed under different conditions, and the difference in analysis conditions may affect the analysis accuracy.
[0019]
In particular, precise measurement is required for isotope analysis. In the above example, during normal exhalation¹²CO₂(Mass number 44) and¹³CO₂Even if the abundance ratio of (mass number 45) is about 99: 1 and there are Helicobacter pylori in the stomach¹³CO₂The rate of increase in the ratio is only slight. In this way, the abundance ratio of isotopes is greatly biased, and isotopes with a small ratio are used as labels, which requires high-accuracy measurement. However, in the conventional apparatus, measurement of two isotopes is performed at a time shifted by about a fraction of a second. Differences in analysis time may affect measurement accuracy as required for isotope analysis. (2) As shown in FIG. 4, the conventional analyzer detects the number of particles of two isotopes with one detection means. However, the abundance ratio of isotopes is greatly biased. For this reason, it is difficult to configure the detection means so that high measurement accuracy can be obtained both in the measurement related to particles with a high ratio and the measurement related to particles with a low ratio.
[0020]
That is, the detection range of the detection means (for example, an ammeter) needs to be set according to particles with a high ratio. This is not a detection range suitable for measuring particles with a low ratio. Therefore, it is difficult to improve the measurement accuracy of particles with a low ratio, that is, labeled particles.
[0021]
For example, in the analysis of carbon dioxide isotope ratio,¹²CO₂The ratio of¹³CO₂Overwhelmingly more than. Therefore, the detection range of the detection means is¹²CO₂A wide range is set so as to cover the number of particles to be detected during the measurement. However, with this setting detection means,¹³As originally required for C urea breath analysis,¹³CO₂It is not easy to determine a slight increase in the ratio.
[0022]
(3) The problems of the present invention have been described above with a focus on isotope analysis. However, the subject of the present invention is not limited to isotope analysis. When analyzing a plurality of types of particles having a close mass number, the same problem as described above may occur.
[0023]
Also, here, an example of an analyzer provided with a quadrupole filter has been described. However, the same problem exists in the case of configuring an analyzer equipped with other multipole filters (such as hexapoles and octupoles). In the multipole filter, its function is exhibited by setting the filter characteristics so that only particles having a specific mass number form a stable orbit. In this respect, both the quadrupole filter and the filter having the other number of poles are common.
[0024]
The present invention has been made in view of the above problems. An object of the present invention is to provide an isotope analyzer and a mass spectrometer capable of taking advantage of a multipole filter and improving analysis accuracy when analyzing particles having different mass numbers. .
[0025]
[Means for Solving the Problems]
(1) An isotope analyzer of the present invention is an isotope analyzer that analyzes first and second isotope particles in a gas sample,Each has a specific mass numberBoth the first and second isotope particles pass through the filter in a stable orbitThe orbits of particles with a larger mass number and smaller mass numbers than the first and second isotope particles diverge.A first-stage multipole filter having filter characteristics set so as to detect the number of particles that have passed through the first-stage multipole filter, a first-stage isotope particle, A post-stage multipole filter whose filter characteristics are set so that one of the second isotope particles passes through the filter in a stable orbit, post-stage detection means for detecting the number of particles that have passed through the post-stage multipole filter, And processing means for performing analysis processing on the first isotope particles and the second isotope particles based on the detection results of the detection means and the subsequent detection means.
[0026]
In the above description, the number of particles may be the number of particles that have passed through each filter, but may be some information or parameter indicating the number of particles. For example, the ion current value used in mass spectrometry may be used. Alternatively, the number of ions counted by a secondary electron multiplier or the like in which the number of particles is known may be used. And, as will be described later, it may be a certain number of particles among the particles that have passed through the filter.
[0027]
Here, the first isotope particle and the second isotope particle differ in mass number by 1 (for example,¹²CO₂When¹³CO₂) But the mass number is different by 2 or more (for example,¹⁴N₂When¹⁵N₂)
[0028]
The front multipole filter and the rear multipole filter are each a quadrupole filter, for example. In this case, in order to obtain the respective filter characteristics in both filters, the ratio of the steady component and the AC component of the applied power is set differently in both filters. The multipole filter may be other than a quadrupole, for example, a hexapole or an octupole. The number of poles may be different between the front stage and the rear stage.
[0029]
According to the present invention, the first isotope particles and the second isotope particles in the gas sample pass through the previous multipole filter, and the number of these particles is detected. The first isotope particles and the second isotope particles that have passed through the front multipole filter are sent to the rear multipole filter. Here, one of the isotope particles passes through the post filter, and the number of particles is detected. Therefore, if both detection results are used, the analysis process for the first and second isotope particles can be performed. This analysis process is, for example, calculation of the abundance ratio of the first isotope particles and the second isotope particles.
[0030]
Here, as shown in FIG. 3, the conventional multipole filter is generally configured to pass only one particle having a mass number at a time. In the conventional apparatus, after analysis of one isotope particle, analysis of the other isotope particle is performed on a given gas sample after a certain amount of time.
[0031]
Unlike such a conventional apparatus, in the present invention, the filter characteristic of the front-stage multiple filter is set so as to pass particles having two mass numbers. And in the back | latter stage multiple filter provided in series with this, it sets so that one of the particle | grains of the said two mass numbers may be allowed to pass through. Two filters are connected in series, so that two isotope particles can be analyzed simultaneously. That is, in the analyzer of the present invention, both isotope particles are analyzed for a gas sample given at a time. Then, the detection by the upstream detection means and the downstream detection means is performed almost simultaneously. Therefore, according to the present invention, the influence on the analysis accuracy due to the shift in the analysis timing of the two isotope particles is eliminated, and the analysis accuracy can be improved.
[0032]
As described above, according to the present invention, it is possible to take advantage of the multipole filter type analyzer that is easy to handle and low in cost, and to improve the analysis accuracy.
[0033]
(2) In one aspect of the present invention, the detection range is set differently between the upstream detection unit and the downstream detection unit depending on the number of particles to be detected by each detection unit. The detection range of the upstream detection means is set corresponding to the number of particles of the first isotope and the second isotope. The detection range of the latter detection means is set corresponding to the number of particles of one isotope. Therefore, even when the number of particles of the first isotope and the second isotope are greatly different, the number of each particle is accurately measured.
[0034]
For example, in the analysis of carbon dioxide abundance,¹²CO₂The ratio of¹³CO₂Overwhelmingly more than no. At this time, the detection range of the upstream detection means is set corresponding to the number of particles of both isotopes. The detection range of the latter detection means is¹³CO₂Set according to the number of particles. Due to this, there is only a minute amount¹³CO₂It is possible to measure accurately.
[0035]
(3) Moreover, in one aspect of the present invention, the pre-stage detection unit includes a partial capture unit that partially captures particles that have passed through the pre-stage multipole filter, and an ammeter that converts the number of captured particles into a current value. The post-stage detection means includes a capture means for capturing particles that have passed through the post-stage multipole filter, and an ammeter that converts the number of captured particles into a current value. The calculation is performed based on the measured values of both ammeters and a parameter indicating the capture rate of the partial capture means.
[0036]
The partial trapping means is configured such that a part of the particles that have passed through the preceding multipole filter collide with this means, and generates a current corresponding to the number of colliding particles. On the other hand, the capturing means is configured such that particles that have passed through the subsequent multipole filter collide with the means, and generate a current corresponding to the number of colliding particles. The number of particles that have passed through each filter can be determined from the measured value of each ammeter.
[0037]
The capturing means is, for example, the aforementioned Faraday cup or ion collector. Further, the partial trapping means is a Faraday cup or an ion collector, and is configured to transmit some particles.
[0038]
The capture rate is the proportion of particles captured by the partial capture means. The parameter indicating the capture rate is, for example, the capture rate itself, or may be, for example, the particle transmittance in the partial capture means.
[0039]
Since the amount of energy of ions passing through the multipole filter is small, in order to accurately detect the number of particles, it is preferable to use the trapping means that generates current at the time of particle collision as described above. Here, if all the ions are captured by the upstream detection means, the subsequent measurement cannot be performed. However, in the present invention, it is possible to perform measurement at the front stage and the rear stage by providing the partial capturing means at the front stage.
[0040]
(4) In the present invention, preferably, an ion lens for directing and accelerating a gas sample to each filter is provided in each of a front stage of the front stage multipole filter and a front stage of the rear stage multipole filter. Thereby, the orientation and speed of the particles that have passed through the front multipole filter are adjusted again by the ion lens in the rear stage.
[0041]
Preferably, the ionization means is provided in the front stage of the front stage multipole filter. The gas sample ionized by the ionization means is introduced into the filter and simultaneously measured, and accurate analysis is performed. Preferably, the front multipole filter and the rear multipole filter are provided in one vacuum vessel.
[0042]
Preferably, a concentrating means for increasing the concentration of the isotope particles in the gas sample is provided in the front stage of the front stage multipole filter. For example,¹³In C-urea breath analysis, by concentrating carbon dioxide in the breath, the influence of other substances (oxygen, nitrogen, etc.) on the measurement accuracy is reduced. Examples of the concentration means include gas chromatography.
[0043]
(5) On the other hand, another aspect of the present invention isAnalyzing multiple types of particles with similar mass numbers in gas samplesThis mass spectrometer has a plurality of multipole filters provided in series, and as it goes to the subsequent filter, the mass number range of particles passing through the filter in a stable orbit is narrowed. A set multipole filter array; and a detecting means for detecting the number of particles of the gas sample that has passed through each of the plurality of multipole filters.
[0044]
According to the said structure, the particle number of a small kind of particle | grains is detected as it goes to a latter filter. Therefore, it is possible to analyze a plurality of types of particles based on the detection results at each stage. In this analysis, for example, mass spectra for a plurality of types of particles may be obtained. Further, as described above, the abundance ratio of the particles may be obtained.
[0045]
The present invention is suitably applied for isotope analysis as shown in (1) above. This is because the latter filter narrows the mass number range of particles passing through the filter and is therefore suitable for analysis of particles having a similar mass number. However, the present invention is not limited to isotope analysis but can be applied to mass analysis of other particles. In particular, it is preferably applied to the analysis of different types of particles having a similar mass number as in the isotope analysis.
[0046]
In the above configuration, the number of filters included in the multipole filter array may be three or more. Thereby, three or more kinds of particles (including isotope particles) can be measured. When the number of filters is 2, the configuration of the filter row is the same as that of the aforementioned isotope analyzer (1).
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0048]
“Embodiment 1”
The analyzer according to the first embodiment is configured to analyze the carbon dioxide isotope abundance ratio. Here, this analyzer is¹³Used for C urea breath analysis. In the following, first, the principle of this analyzer will be described with reference to FIG.
[0049]
In the present embodiment, two quadrupole filters shown in FIG. 1 are provided in series. The front side is called the front stage filter, and the rear side is called the rear stage filter. The total length of each filter is about 10 cm, the radius of the inscribed circle of the four electrodes is about 0.3 cm, and the frequency of the AC voltage is set to about 3.5 MHz. The pre-filter and the post-filter have different filter characteristics as described below.
[0050]
In the pre-filter,¹²CO₂(Mass number 44) and¹³CO₂U and V are fixed to U1 and V1, respectively, so that (mass number 45) describes a stable orbit. FIG. 6 shows a straight line m1 corresponding to U1 / V1 = λ1 at this time. As illustrated, on the straight line m1, points p44 and p45 (square marks) corresponding to the mass numbers 44 and 45 are in the stable region. As is apparent from FIG. 6, λ1 here is set to be smaller than λ0 of the conventional device of FIG.
[0051]
On the other hand, in the latter stage filter,¹³CO₂U and V are fixed to U2 and V2, respectively, so that (mass number 45) describes a stable orbit. FIG. 6 shows a straight line m2 corresponding to U2 / V2 = λ2 at this time. As illustrated, on the straight line m2, a point p45 corresponding to the mass number 45 is in the stable region. Here, λ2 may be set equal to λ0 in FIG.
[0052]
The gas sample is first incident on the pre-filter,¹²CO₂When¹³CO₂Only passes through the pre-filter. And passed through the previous stage filter¹²CO₂When¹³CO₂Is incident on the latter filter,¹³CO₂Only passes through the post filter. Therefore, the ratio of the number of particles that have passed through the former stage and have not passed through the latter stage to the number of particles that have passed through the former stage and the latter stage is the isotope abundance ratio.
[0053]
Actually, a part R% (referred to as a capture rate) of the particles that have passed through the previous stage filter is captured by a semi-transmissive Faraday cup, and the number N1 of particles for this part is measured. Then, the remaining (100-R)% of the particles are sent to the subsequent filter. The particles that have passed through the latter filter are captured by another Faraday cup, and the number N2 of the particles is measured. Therefore, in this embodiment, the isotope abundance ratio is derived as in the following formula (1).
[0054]
[Equation 3]
{N1 × 100 / R−N2 × 100 / (100−R)}: {N2 × 100 / (100−R)} (1)
Where N1x100 / R-N2x100 / (100-R) is the cation in the gas sample¹²CO₂ ⁺N2 × 100 / (100−R) is a cation¹³CO₂ ⁺It is equivalent to the number of And than when there is no H. pylori in the stomach¹³CO₂ ⁺The presence of Helicobacter pylori is detected with a high ratio. However, the calculation method of the abundance ratio may be changed as appropriate. For example, a calculation formula that directly calculates from the current value may be established.
[0055]
In this embodiment, the steady voltage U and the AC voltage are not swept as in principle in each filter. This analyzer is not supposed to be used to sweep the voltage value and measure the mass of an unknown object. The isotope to be analyzed is determined (in this case, carbon dioxide), and is used when measuring the abundance ratio of the isotope.
[0056]
FIG. 7 shows the configuration of the isotope analyzer of this embodiment. 7, members equivalent to those in FIG. 4 are given the same reference numerals, and description of these members will be omitted as appropriate.
[0057]
In this analyzer, an ionizer 4, a first ion lens 32, a front-stage filter 34, a semi-transmissive Faraday cup 36, a second ion lens 38, a rear-stage filter 40, and a Faraday cup 42 are sequentially provided in the vacuum container 2. ing. The first ion lens 32 to the Faraday cup 42 are arranged coaxially. The configuration of the first ion lens 32 and the second ion lens 38 is the same as that of the ion lens 6 of FIG. Further, the front-stage filter 33 and the rear-stage filter 40 are each a quadrupole filter having the filter characteristics shown in FIG.
[0058]
The semi-transmissive Faraday cup 36 is an ion collector provided so that positive ions that have passed through the front-stage filter 34 collide with each other. However, some ions collide with the semi-transmissive Faraday cup 36 and the remaining ions are transmitted. The semi-transmissive Faraday cup 36 has, for example, a disk provided with a plurality of transmission holes, and particles pass through the transmission holes. Here, as described above, the ratio of the number of particles colliding without transmitting with respect to the number of particles incident on the semi-transmissive Faraday cup 36 is defined as “trapping rate R%”. The capture rate R% can be measured by a method described later. An ammeter 50 is connected to the transflective Faraday cup 36. The current generated at the time of ion collision is measured by the ammeter 50, and the number of ions that have collided is known from the measured value. On the other hand, the configuration of the Faraday cup 42 is the same as that of the Faraday cup 10 of FIG. 4, and an ammeter 52 is connected to the Faraday cup 42.
[0059]
The measurement ranges of the ammeter 50 and the ammeter 52 are set differently depending on the current value to be detected by each.¹²CO₂When¹³CO₂Therefore, the current value to be detected by the ammeter 50 is overwhelmingly large, and the current value to be detected by the ammeter 52 is very small. Therefore, compared to the ammeter 50, the measurement range of the ammeter 52 is set to be suitable for a small current value. Each ammeter 50, 52 is configured and adjusted to obtain high measurement accuracy in the respective measurement range.
[0060]
The processing device 54 is connected to the ammeter 50 and the ammeter 52. The processing device 54 obtains the numbers of ions N1 and N2 colliding with the semi-transmissive Faraday cup 36 and the Faraday cup 42 based on the measured values of the ammeter 50 and the ammeter 52, and isotopes are present according to the above-described equation (1). Find the ratio.
[0061]
Next, the operation of the analyzer according to this embodiment will be described. The gas sample supplied from the sample supply pipe 20 is generated by concentrating carbon dioxide in the expired sample by a concentration means (not shown). The concentration means is, for example, a gas chromatography. If the exhalation collecting device described in Japanese Patent Application No. 8-33294 or Japanese Patent Application No. 8-333487 by the present applicant is used, the collecting device functions as a concentrating means, and carbon dioxide is contained in the exhalation sealed container. Concentrated and sealed.
[0062]
The concentrated gas sample is supplied from the sample supply pipe 20 to the ionizer 4. In the ionizer 4, carbon dioxide electrons are repelled by electron impact from the filament, and monovalent cations are generated. It is not necessary to ionize all gas samples. The positive ions are accelerated when passing through the first ion lens 32 and enter the pre-filter 34.
[0063]
The pre-stage filter 34 operates according to the filter characteristic of the straight line m1 in FIG.¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺Only pass through. At this time, both ions travel while being confined in the filter while drawing a complicated trajectory that swings around the central axis. That is, both ions travel through the filter in a stable orbit. Then, R% of the cations that have passed collide with the semi-transmissive Faraday cup 36. The processing device 54 obtains the number of colliding ions N1 from the current value of the ammeter 50.
The cations that have passed through the semi-transmissive Faraday cup 36 are (100-R)% of the ions that have passed through the pre-stage filter 34. Before and after passing through the semi-transmissive Faraday cup 36,¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺The ratio of is unchanged. The cations that have passed through the semi-transmissive Faraday cup 36 proceed to the second ion lens 38.
[0064]
The positive ions travel while swinging around the central axis while passing through the front-stage filter 34. In the second ion lens 38, the movement direction of the positive ions is adjusted so as to coincide with the central axis direction of the rear-stage filter 40, and the positive ions are accelerated. The cations are incident on the post filter 40.
[0065]
The post filter 40 operates according to the filter characteristic of the straight line m2 in FIG.¹³CO₂ ⁺Only pass through. That is,¹³CO₂ ⁺Only go through the filter in a stable orbit. It has passed¹³CO₂ ⁺Collides with the Faraday cup 42. The processing device 54 obtains the number N2 of collision ions from the current value of the ammeter 52.
[0066]
The processing device 54 uses the above equation (1) from the number of ions N1 and N2 and the capture rate R in the semi-transmissive Faraday cup 36.¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺Find the abundance ratio. And than when there is no H. pylori in the stomach¹³CO₂ ⁺The presence of Helicobacter pylori is detected with a high ratio.
[0067]
In this embodiment, in order to improve measurement accuracy, a standard sample with a known isotope abundance ratio and a gas sample obtained by concentrating a breath sample are alternately measured. That is, the standard sample is analyzed, and the difference between the abundance ratio of the measurement results and the known true abundance ratio is obtained. This difference is used to correct the abundance obtained when analyzing a gas sample. The alternate measurement is performed in consideration of the fact that the sensitivities of the front and rear filters are not the same.
[0068]
Further, the capture rate R% of the above-described transflective Faraday cup 36 is obtained as follows. In order to measure the capture rate R%, the filter characteristics of the pre-stage filter 34 and the post-stage filter 40 are set to be the same. here,¹²CO₂ ⁺(Or¹³CO₂ ⁺) Set the filter characteristics so that only passes through the filter. And the ammeter of the same specification is connected to both filters. In this state, the analyzer is operated as described above. At this time, if the detection values of the number of particles at the front and rear stages are Na and Nb, Na / (Na + Nb) × 100 corresponds to the capture rate R%.
[0069]
The configuration and operation of the analyzer according to this embodiment have been described above. In the present embodiment, for ions generated at a time by the ionization apparatus 4,¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺The number of ions is measured. The measurements with the semi-transmissive Faraday cup 36 and the Faraday cup 42 are performed almost simultaneously. Therefore,¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺In the analysis, the gas pressure in the vacuum chamber, the noise in the electronic circuit, the amount of ions generated in the ionizer 4 and the like are the same in the measurement conditions. The measurement accuracy can be improved by making the analysis conditions equal.
[0070]
Conventionally, one ammeter is¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺It was used for measurements on both. However, since the abundance ratio of both ions is greatly biased, the degree of the current value to be measured varies greatly. Therefore, it is not easy to measure with high accuracy for both ions. On the other hand, in this embodiment, two ammeters 50 and 52 are used, and the measurement ranges of the respective ammeters 50 and 52 are set appropriately for the current value to be detected. That is,¹²CO₂ ⁺and¹³CO₂ ⁺The measurement range of the ammeter 50 for measuring is set to be suitable for a relatively large current value. on the other hand,¹³CO₂ ⁺The measurement range of the ammeter 52 for measuring only the current is set to be suitable for a small current value. In this case, each ammeter 50, 52 can be configured to obtain high measurement accuracy in the respective measurement range. Therefore, the measurement accuracy of the current value can be increased and the analysis accuracy can be improved.
[0071]
In particular,¹³In C urea breath analysis,¹³CO₂A slight increase in must be detected. Therefore, high measurement accuracy is required for the analyzer. This embodiment is suitably used to obtain this high analysis accuracy.
[0072]
In the present embodiment, the isotope analyzer that analyzes carbon dioxide has been described. However, this analyzer can also be configured for the analysis of other isotopes. For example,¹⁴N₂,¹⁵N₂An apparatus for measuring the abundance ratio of can be considered. In this case, the filter characteristic of the pre-stage filter has a mass number of 28 (¹⁴N₂), Mass number 30 (¹⁵N₂Is set so that a stable orbit can be drawn. The filter characteristics of the latter stage filter are set so that ions with a mass number of 30 draw a stable orbit. As a result, with the same configuration as above¹⁴N₂,¹⁵N₂Can be analyzed.
[0073]
Moreover, it is good also as an apparatus which can change the setting value of the steady voltage U of each filter, and the alternating voltage V, and can analyze arbitrary isotopes. The change of the set value here is a change of the values of U1, V1 and U2, V2 as shown in FIG.
[0074]
In addition, in this embodiment, although the analysis apparatus provided with the quadrupole filter was demonstrated, as mentioned above, it is good also as a structure provided with the filter of the other pole number. Also in this case, the pre-filter¹²CO₂ ⁺,¹³CO₂ ⁺Is given a filter characteristic that passes through the filter,¹³CO₂ ⁺It is only necessary to give a filter characteristic that passes through the filter.
[0075]
Moreover, in this embodiment, it comprised so that a one part particle | grain collided with the semi-permeable Faraday cup 36, and calculated abundance ratio using capture rate R%. This is to accurately detect the number of particles of ions having a low energy level. On the other hand, a device for detecting the number of particles without colliding the particles may be provided. At this time, the abundance ratio can be calculated without using the capture rate R%.
[0076]
“Embodiment 2”
In the first embodiment, the present invention is applied to an isotope analyzer. On the other hand, Embodiment 2 is configured as a mass spectrometer that can be used in addition to isotope analysis.
[0077]
Here, consider particles having mass numbers n1 to n5 (the mass number of each particle is different by one). This analyzer analyzes a given gas sample to obtain a particle number distribution as shown in FIG. That is, it is the number of particles in each of the three ranks of mass numbers n1 and n2, mass number n3, and mass numbers n4 and 5.
[0078]
FIG. 9 shows the configuration of the isotope analyzer of this embodiment. 9, members equivalent to those in FIG. 4 or FIG. 7 are given the same reference numerals, and description of these members is omitted as appropriate.
[0079]
In this analyzer, the ionization device 4, the first ion lens 60, the first filter 62, the first semi-transmissive Faraday cup 64, the second ion lens 66, the second filter 68, and the second half are contained in the vacuum vessel 2. A transmissive Faraday cup 70, a third ion lens 72, a third filter 74, and a Faraday cup 76 are sequentially provided. The first ion lens 60 to the Faraday cup 76 are arranged coaxially. The configurations of each ion lens, transflective Faraday cup, and Faraday cup are the same as those in the first embodiment.
[0080]
The first filter 62, the second filter 68, and the third filter 74 are each a quadrupole filter as shown in FIG. FIG. 10 shows the filter characteristics of each filter.
[0081]
In the first filter 62, U and V are fixed to U11 and V11, respectively, so that particles having mass numbers n1 to n5 have a stable orbit. FIG. 10 shows a straight line m11 corresponding to U11 / V11 = λ11 at this time. As illustrated, on the straight line m11, points (rectangular marks) corresponding to the mass numbers n1 to n5 are in the stable region.
[0082]
In the second filter 68, U and V are fixed to U12 and V12, respectively, so that particles having mass numbers n1 to n3 have a stable orbit. In FIG. 10, on the straight line m12 corresponding to U12 / V12 = λ12, the points corresponding to the mass numbers n1 to n3 are in the stable region. As shown in the figure, there is a relationship of λ12> λ11.
[0083]
Further, in the third filter, U and V are fixed to U13 and V13, respectively, so that particles having a mass number n3 have a stable orbit. In FIG. 10, on the straight line m13 corresponding to U13 / V13 = λ13, the point corresponding to the mass number n3 is in the stable region. As shown in the figure, there is a relationship of λ13> λ12.
[0084]
Ammeters 78, 80, and 82 are connected to the first transflective Faraday cup 64 (capture rate R1%), the second transflective Faraday cup 70 (capture rate R2%), and the Faraday cup 76, respectively. . As in the first embodiment, the numbers N11, N12, and N13 of ions colliding with each cup can be found from the measurement values of the respective ammeters. Again, the measurement range of each ammeter is set differently to suit the current value to be detected.
[0085]
A processing device 84 is connected to each ammeter 78, 80, 82. The processing device 84 obtains the collision ion numbers N11, N12, and N13 from the current measurement value, and obtains the particle number distribution shown in FIG.
[0086]
The operation of the analyzer according to the second embodiment will be described. Note that the description of the same content as that of the first embodiment is omitted as appropriate.
[0087]
The gas sample is supplied from the sample supply pipe 20 to the ionizer 4. In the ionization device 4, positive ions are generated, and the positive ions are accelerated when passing through the first ion lens 60 and are incident on the first filter 62. The first filter 62 operates according to the filter characteristic of the straight line m11 in FIG. 10 to pass ions having mass numbers n1 to n5. R1% of the ions that have passed collide with the first transflective Faraday cup 64. The processing device 84 obtains the number N11 of collision ions from the current value of the ammeter 78. The cations (mass numbers n1 to n5) that have passed through the semi-transmissive Faraday cup 36 reach the second ion lens 66. In the second ion lens 66, the movement direction of the positive ions is adjusted to coincide with the central axis direction of the second filter 68, and the positive ions are accelerated. The positive ions are incident on the second filter 68.
[0088]
The second filter 68 operates according to the filter characteristics of the straight line m12 in FIG. 10 to pass ions having mass numbers n1 to n3. R2% of the ions that have passed collide with the second transflective Faraday cup 70. The processing device 84 obtains the number N12 of colliding ions from the current value of the ammeter 80. The cations (mass numbers n1 to n3) that have passed through the second transflective Faraday cup 70 reach the third ion lens 72. In the third ion lens 72, the movement direction of the positive ions is adjusted to coincide with the central axis direction of the third filter 74, and the positive ions are accelerated. The positive ions are incident on the third filter 74.
[0089]
The third filter 74 operates according to the filter characteristic of the straight line m13 in FIG. 10 to pass ions having a mass number n3. Passed ions collide with the Faraday cup 76. The processing device 84 obtains the number N13 of colliding ions from the current value of the ammeter 82.
[0090]
The processing device 84 creates the particle number distribution of FIG. 8 from the obtained numbers of ions N11, N12, and N13. Here, the number of ions of mass number n4 or n5 among the ions generated by the ionizer 4 and analyzed is given by the following equation (2). Similarly, the number of ions having mass numbers n1 and n2 is given by the following equation (3), and the number of ions having mass number n3 is given by the following equation (4).
[0091]
[Expression 4]
N11 × 100 / R1 − N12 × 100 / (100−R1) × 100 / R2 (2)
[Equation 5]
N12 × 100 / (100−R1) × 100 / R2 − N13 × 100 / (100−R1) × 100 / (100-R2) (3)
[Formula 6]
N13 × 100 / (100−R1) × 100 / (100-R2) (4)
The processing device 84 obtains the particle number distribution using the number of ions obtained from each equation. If the sample does not contain particles having mass numbers n2 and n4, FIG. 8 shows the particle number distribution of the particles having mass numbers n1, n3, and n5 as they are.
[0092]
The configuration and operation of the mass spectrometer of the present embodiment have been described above. Thus, the present invention can also be applied to mass spectrometry of particles other than isotopes. Further, simultaneous analysis of two or more kinds of particles can be performed by increasing the number of filters provided in series.
[0093]
In the present embodiment, three filters are provided. Needless to say, four or more filters may be provided. The filter characteristics of the filters at each stage can be set freely as appropriate. For example, when four filters are provided, the mass number range set as the filter characteristics of each stage is (4, 3, 2, 1), (8, 6, 4, 2) and (3, 2, 2, 1), etc.
[0094]
【The invention's effect】
According to the present invention, particles having different mass numbers can be analyzed simultaneously in an analyzer equipped with a multipole filter. Therefore, the influence on the measurement result of the error factor such as the temporal variation of the measurement condition is reduced. Further, according to the present invention, in the analysis of particles having different mass numbers, the number of particles can be accurately detected even when the abundance between particles is greatly biased. This is realized by setting the detection range of each detection means in accordance with the number of particles to be detected.
[0095]
Thus, according to the present invention, it is possible to improve the analysis accuracy while taking advantage of the multipole filter that is easy to handle and low in cost. The present invention¹³When used in C-urea breath analysis, the present invention can contribute to easy and accurate detection of H. pylori.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a quadrupole filter.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a stable region in which a particle has a stable trajectory in a quadrupole filter.
FIG. 3 is an enlarged view showing the filter characteristic of a conventional analyzer, which is the apex portion of the stable region of FIG. 2;
FIG. 4 is a configuration diagram of a mass spectrometer equipped with a conventional quadrupole filter.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a mass spectrum obtained by the apparatus of FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing filter characteristics as the principle of the isotope analyzer according to the first embodiment of the present invention.
7 is a configuration diagram of the isotope analyzer of Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a particle number distribution obtained by the mass spectrometer of the second embodiment.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of a mass spectrometer according to a second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating filter characteristics of each filter according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
2 vacuum container, 4 ionizer, 6 ion lens, 8 quadrupole filter, 10, 42 Faraday cup, 20 sample supply tube, 28, 50, 52 ammeter, 30, 54 processing device, 32 first ion lens, 34 Front filter, 36 transflective Faraday cup, 38 second ion lens, 40 rear filter.

Claims

An isotope analyzer for analyzing a first isotope particle and a second isotope particle in a gas sample,
The first isotope particles and the second isotope particles each having a specific mass number draw a stable orbit and pass through the filter, and have a larger mass than the first isotope particles and the second isotope particles in the gas sample. A pre-multipole filter whose filter characteristics are set so that the trajectories of particles having a number and particles having a small mass number diverge ,
Pre-stage detection means for detecting the number of particles that have passed through the pre-stage multipole filter;
A post-stage multipole filter provided in series after the pre-stage multipole filter, the filter characteristic of which is set so that one of the first isotope particles or the second isotope particles passes through the filter in a stable orbit,
A post-stage detection means for detecting the number of particles passing through the post-stage multipole filter;
Processing means for performing analysis processing on the first isotope particles and the second isotope particles based on the detection results of the former detection means and the latter detection means;
Isotope analyzer.

The apparatus of claim 1.
The pre-stage multipole filter and the post-stage multipole filter are each a quadrupole filter, and the ratio of the steady component and the alternating current component of the applied power is set differently in both filters so that the respective filter characteristics can be obtained. An isotope analyzer characterized by this.

The apparatus according to claim 1,
The isotope analyzer is characterized in that the detection range is set differently between the upstream detection means and the downstream detection means depending on the number of particles to be detected by each detection means.

In the apparatus in any one of Claims 1-3,
In the processing means, the abundance ratio of the first isotope particles and the second isotope particles is calculated as the analysis processing.

The apparatus according to claim 4.
The pre-stage detection means includes a partial capture means for partially capturing particles that have passed through the pre-stage multipole filter, and an ammeter that converts the number of captured particles into a current value,
The post-stage detection means has a capture means for capturing particles that have passed through the post-stage multipole filter, and an ammeter that converts the number of captured particles into a current value.
The isotope analyzer is characterized in that the calculation of the abundance ratio in the processing means is performed based on the measured values of both ammeters and a parameter indicating the capture rate of the partial capture means.

In the apparatus in any one of Claims 1-5,
An isotope analyzer, comprising an ion lens that is provided in each of a front stage of a front stage multipole filter and a front stage of a rear stage multipole filter, and directs and accelerates a gas sample to each filter.

In the apparatus in any one of Claims 1-6,
An isotope analyzer provided with an ionization means provided in a preceding stage of a preceding multipole filter and ionizing a gas sample introduced into the filter.

In the apparatus in any one of Claims 1-7,
The isotope analyzer is characterized in that the front multipole filter and the rear multipole filter are provided in one vacuum vessel.

The device according to any one of claims 1 to 8,
An isotope analyzer, comprising a concentrating means for increasing the concentration of the isotope particles in the gas sample, which is provided in the front stage of the front stage multipole filter.