包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置
【課題】包括的２次元ＧＣ／ＭＳで得られるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドを的確に除去することで、ＤＢ検索等による成分同定の精度を向上させる。
【解決手段】２次元クロマトグラム上で検出されたピークに対応するピーク領域の周囲にバックグラウンド領域を設定し、ピーク領域中の任意の画素の位置（ｐ、ｑ）におけるバックグラウンドを、該位置を挟んでバックグラウンド領域中に位置する２つの画素のマススペクトルの内挿により推算する。２つの時間軸Ｔ１、Ｔ２方向でそれぞれ求めたバックグラウンドを平均し、位置（ｐ、ｑ）の画素におけるマススペクトルから差し引くことで、バックグラウンドを除去したマススペクトルを算出する。こうして、ピークに対応する各画素におけるマススペクトルからバックグラウンドを除去し、それらマススペクトルに基づいて該ピークの成分を同定する。
【解決手段】２次元クロマトグラム上で検出されたピークに対応するピーク領域の周囲にバックグラウンド領域を設定し、ピーク領域中の任意の画素の位置（ｐ、ｑ）におけるバックグラウンドを、該位置を挟んでバックグラウンド領域中に位置する２つの画素のマススペクトルの内挿により推算する。２つの時間軸Ｔ１、Ｔ２方向でそれぞれ求めたバックグラウンドを平均し、位置（ｐ、ｑ）の画素におけるマススペクトルから差し引くことで、バックグラウンドを除去したマススペクトルを算出する。こうして、ピークに対応する各画素におけるマススペクトルからバックグラウンドを除去し、それらマススペクトルに基づいて該ピークの成分を同定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的（Comprehensive）２次元ガスクロマトグラフ（ＧＣ）と質量分析装置（ＭＳ）とを組み合わせたクロマトグラフ質量分析で収集されたデータを処理するデータ処理装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置においてスキャン測定を実行することで得られるマススペクトルデータを処理するデータ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＣ分析手法の１つとして、包括的２次元ガスクロマトグラフ（「ＧＣ×ＧＣ」とも呼ばれる）という手法が知られている（特許文献１参照）。包括的２次元ＧＣは、試料中の各種成分を１次元目のカラム（以下「１次カラム」という）でまず分離し、その溶出成分をモジュレータに導入する。モジュレータは導入された成分を一定時間間隔（通常、数秒程度）毎に捕集した後にごく狭い時間バンド幅で離脱させ、２次元目のカラム（以下「２次カラム」という）に導入する、という操作を繰り返す。一般に２次カラムは１次カラムとは極性が異なり、１次カラムで十分に分離されなかった複数の成分を高速で分離可能なものが用いられる。これにより、包括的２次元ＧＣでは、１次カラムで分離されずにピークが重なった試料成分を２次カラムで分離することができ、通常のＧＣに比べて分離性能が大幅に向上する。このため、保持時間が近い成分を多数含むような試料の分析、例えばディーゼル燃料の炭化水素分析などに非常に威力を発揮する。
【０００３】
包括的２次元ＧＣでは、複数の検出器を用いるマルチディメンジョナル（ＭＤ）ＧＣとは異なり、２次カラムの出口に接続された１個の検出器によって検出信号が得られる。したがって、通常のＧＣと同様のクロマトグラム、つまりは横軸が時間軸で縦軸が信号強度軸であるクロマトグラムを作成することもできるが、一般的には、極性の相違する２本のカラムそれぞれでの分離状態を分かり易く示すために、１次カラムにおける保持時間と２次カラムにおける保持時間とをそれぞれ直交する２軸とし信号強度を等高線で表した２次元クロマトグラムや、信号強度を第３の軸とした３次元クロマトグラムが作成される。こうしたクロマトグラムを作成するためのデータ処理用のソフトウエアとしては、米国ゾエックス（ZOEX）社が提供している「GC Image」（非特許文献１参照）がよく知られている。
【０００４】
図３（ｂ）は、横軸に１次カラムの保持時間、縦軸に２次カラムの保持時間をとった２次元等高線クロマトグラムの一例である。昇温分析の場合には、横軸は沸点順を表し、縦軸は極性順を表しているため、２次元等高線クロマトグラムによれば、各化合物の性質の理解が容易であるとともに、多数の化合物が含まれる場合であってもどのような化合物が含まれているのかを容易に把握できるようになっている。
【０００５】
包括的２次元ＧＣの検出器としては一般的なＧＣの検出器と同様のものを利用することができ、多成分の混合試料を分析する場合には、検出器として質量分析装置（ＭＳ）を用いた包括的２次元ＧＣ／ＭＳが有用である。包括的２次元ＧＣ／ＭＳを用いて定性分析を行う場合には、一般的にＭＳでは所定質量範囲（厳密には質量電荷比範囲）に亘るスキャン測定が行われ、スキャン測定で取得されたマススペクトルのピークパターン（又はピークリスト）をライブラリ（データベース）に収録されている既知物質のマススペクトルデータと比較することで未知物質を同定する。
【０００６】
包括的２次元ＧＣ／ＭＳに限らず通常のＧＣ／ＭＳでも、得られるマススペクトルには様々なノイズピークが含まれ、これが上記のような成分同定の際の障害となる。そこで、通常のＧＣ／ＭＳの場合には、クロマトグラム（トータルイオンクロマトグラム）に現れるピークに対応した時間位置で得られるマススペクトルに対し、クロマトグラム上でピークが存在しない時間位置で得られるマススペクトルをバックグラウンドノイズであるとみなして差し引くようなデータ処理が実施される。
【０００７】
一方、包括的２次元ＧＣでは非特許文献２に記載のようなバックグラウンド除去手法が知られている。この手法では、２次元クロマトグラムにおいて１次カラム保持時間方向、２次カラム保持時間方向のそれぞれにおいて最小の信号値を持つ画素（２次元クロマトグラム上の１個のデータの最小単位）を見つけ、その画素の信号値と、該画素の隣接画素の信号値とを用いて平均値等を計算することによりバックグラウンドのレベルを推定し、１個の画素当たりに換算したバックグラウンドを各画素の信号値から差し引くようにしている。この非特許文献２に記載のバックグラウンド除去手法は、クロマトグラムに基づく定量性を向上させることを目的としており、時間的に緩慢に変化するバックグラウンドを想定してピークの形状を適切に求めるようにしている。
【０００８】
上述した従来の包括的２次元ＧＣのバックグラウンド除去手法では、時間的に緩慢に変化するバックグラウンドは良好に除去できるものの、２次元クロマトグラム上で目的ピークに対してきわめて近接して別のピークが存在する場合や、目的ピークに別のピークの一部が重なってしまっている場合に、こうした別ピークの影響を除去することはできない。そもそも定量分析を目的とする場合には、クロマトグラムピークの面積等のパラメータが正確に求まることが重要であり、２次元クロマトグラム上でピークが重なるような状況の下での定量分析は一般的には行われない。
【０００９】
これに対し、特に試料に多種の成分が含まれる状況で重要なのは定性分析であり、包括的２次元ＧＣ／ＭＳで得られる結果に基づく定性性を高めるには、上述したようにマススペクトルに現れるノイズをできるだけ除去することが重要である。この場合、目的成分由来のピークの強度の正確性は重要である。しかしながら、上述した従来の包括的２次元ＧＣのバックグラウンド除去手法では、２次元クロマトグラム上でピークの分離が十分でない場合に、それらピークの出現時刻におけるマススペクトルに重畳しているノイズピークを的確に除去することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−１２２８２２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「GC Image GCxGC Software」、[online]、米国ゾエックス（Zoex）社、［平成２３年９月１日検索］、インターネット＜URL : http://www.gcimage.com/gcxgc/index.html＞
【非特許文献２】ライヒェンバッハ（S. E. Reichenbach）ほか３名、「イメージ・バックグラウンド・リムーバル・イン・コンプリヘンシブ・トゥ-ディメンジョナル・ガス・クロマトグラフィ（Image background removal in comprehensive two-dimensional gas chromatography）」、ジャーナル・オブ・クロマトグラフィ（Journal of chromatography）Ａ、Vol.985、2003年、p.47-56
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、包括的２次元ＧＣ／ＭＳで得られるマススペクトルデータに重畳されているノイズを的確に除去することで、例えばマススペクトルデータを用いた定性の性能を向上させることができる包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明は、１次カラム、モジュレータ、及び２次カラムを具備する包括的２次元クロマトグラフで分離された試料を質量分析装置に導入し、該質量分析装置において所定質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を実行することにより収集されたマススペクトルデータを処理する包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
a)収集されたマススペクトルデータに基づいて総イオン強度の時間的変化を示す２次元クロマトグラムを作成する２次元クトマログラム作成手段と、
b)該２次元クロマトグラムに対しピーク検出を行うピーク検出手段と、
c)前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上で、前記ピーク検出手段により検出されたピークに対応するピーク領域と該ピーク領域の周囲のバックグラウンド領域とを決定する領域決定手段と、
d)前記バックグラウンド領域中の複数の測定点におけるマススペクトルデータに基づいて前記ピーク領域中の少なくとも１つの測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算し、推算されたバックグラウンドを除去したマススペクトルを求めるバックグラウンド除去手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
なお、上記「測定点」とは、所定質量範囲のマススペクトルデータを取得する保持時間を示す、２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上の点である。トータルイオンクロマトグラム（ＴＩＣ）データに基づいて作成・表示される２次元クロマトグラムにおいて１つの測定点は１つの画素を示すから、以下の説明において測定点と画素は同義である。
【００１５】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置では、２次元クロマトグラムに現れるピークの中で、目的とするピーク、より具体的には同定したいピークの周辺にバックグラウンド領域を設定する。即ち、このバックグラウンド領域中の測定点、つまり保持時間は、目的ピークの出現する時間に近接しており、バックグラウンドが比較的短時間に変化する状況であっても、バックグラウンド領域中の測定点におけるバックグラウンドスペクトルと目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドとは相関性があると推定される。そのため、バックグラウンド除去手段は、目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドスペクトルを的確に推定することができ、バックグラウンドの影響の少ないマススペクトルを求めることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置では、好ましくは、前記バックグラウンド除去手段は、前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上において、前記バックグラウンド領域中で且つ目的ピークに対応する測定点を含む直線上で該測定点を挟んだ両側にそれぞれバックグラウンド基準測定点を定め、該複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて前記目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算する構成とするとよい。複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいてピーク領域中の測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算する際には、例えば、質量電荷比毎に複数のバックグラウンド基準測定点における信号強度を内挿するとよい。最も簡単な内挿は直線補間であるが、多項式補間や重み付け補間を行ってもよい。
【００１７】
さらに好ましくは、上記バックグラウンド基準測定点を定めるための直線は、２次元クロマトグラムの２つの時間軸に沿った２本の直線を含むものとし、その２本以上の直線上で目的ピークに対応する測定点を挟んだ両側にそれぞれ定められた４以上のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて目的ピークに対応する測定点におけるバックグラウンドを推算する構成とするとよい。
【００１８】
この構成によれば、１次カラムの分離特性上で目的ピークに時間的に近い測定点と、２次カラムの分離特性上で目的ピークに時間的に近い測定点とがバックグラウンド基準測定点として選択され、しかも２つの時間軸に沿った方向で内挿が行われるので、目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドスペクトルをより的確に推定することが可能となる。それによって、バックグラウンド除去の精度も向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置によれば、時間的に緩慢に変化する要因によるものだけでなく、比較的短時間の間に生じる外乱等に起因するバックグラウンドを的確に除去したマススペクトルを取得することができる。また、２次元クロマトグラムにおいて目的ピークに別のピークの一部が重なっている場合、その別のピークも部分的にバックグラウンド領域に入ることになるため、別のピークの重なり部分もバックグラウンドとして除去し、目的ピークにおけるマススペクトルの純度を高めることができる。それによって、マススペクトルを利用した成分同定などの精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るデータ処理装置を備えた包括的２次元ＧＣ／ＭＳの一実施例の概略構成図。
【図２】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおける定性処理動作のフローチャート。
【図３】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおいて作成される２次元等高線クロマトグラムの一例を示す図。
【図４】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおけるマススペクトルのバックグラウンド除去処理の説明図。
【図５】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおけるマススペクトルのバックグラウンド除去処理の説明図。
【図６】マススペクトルのバックグラウンド除去処理の他の実施例の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置を用いた包括的２次元ＧＣ／ＭＳの一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例による包括的２次元ＧＣ／ＭＳの概略構成図である。
【００２２】
分析部１は、１次カラム１２、該１次カラム１２に試料ガスを導入する試料気化室などを含む試料導入部１１、１次カラム１２から溶出する成分（化合物）を一定時間間隔で捕集し時間的に圧縮して送り出すモジュレータ１３、１次カラム１２とは異なる分離特性（典型的には異なる極性）を有する高速分離可能な２次カラム１４、及び、２段階のカラム１２、１４で分離された各成分を検出する質量分析計１５、を備える。質量分析計１５は質量分析器として四重極マスフィルタを用いた四重極型質量分析計であり、指定された質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定が可能である。
【００２３】
分析部１に含まれる各部の動作は、制御・処理部２に含まれる分析制御部２００により制御される。制御・処理部２に含まれるデータ処理部２０は、質量分析計１５で取得されたデータを処理し試料に含まれる各種成分を同定する（つまり定性分析する）機能を有する。より詳しくは、データ処理部２０は、時間経過に伴って順次得られるマススペクトルデータを格納するデータ格納部２１、該マススペクトルデータに基づいて２次元クロマトグラムを作成するクロマトグラム作成部２２、その２次元クロマトグラム上でピークを検出するピーク検出部２３、ピーク検出結果に基づいて２次元クロマトグラム上でピークが存在するピーク領域とバックグラウンド領域とをそれぞれ決定する領域抽出部２４、マススペクトルに重畳しているバックグラウンドを除去するバックグラウンド除去部２５、バックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを保存する処理済みデータ格納部２６、化合物毎にマススペクトルのピーク情報などが収録されている同定用データベース２８、及び、バックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを用い同定用データベース２８を参照して成分同定を行う成分同定部２７、などの機能ブロックを含む。
【００２４】
また制御・処理部２に含まれる主制御部２０１には、ユーザーインターフェイスとしての操作部３や表示部４が接続されている。この主制御部２０１、分析制御部２００、データ処理部２０は、パーソナルコンピュータをハードウエア資源とし、そのパーソナルコンピュータに予めインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより実現されるようにすることができる。
【００２５】
まず、分析部１における分析動作、つまりデータ収集動作を概略的に説明する。分析部１において、試料導入部１１は分析制御部２００からの指示に応じて、１次カラム１２に略一定流量で送られるキャリアガス中に分析対象である試料を導入する。通常、この試料には多数の成分（化合物）が含まれる。該試料に含まれる各種成分は、所定の昇温プログラムに従って温調された１次カラム１２を通過する間に分離されて時間的にずれて溶出する。この時点では全ての成分が十分に分離されるとは限らず、１次カラム１２での保持時間が近い成分は重なって（混じった状態で）溶出する。
【００２６】
モジュレータ１３は一定時間（＝モジュレーション期間ｔ：一般に数秒〜最大でも１０秒程度）中に１次カラム１２から溶出してくる成分を全て捕集し、時間的に圧縮して２次カラム１４に送り込む、という操作を連続的に繰り返す。したがって、１次カラム１２からの溶出成分は漏れなく２次カラム１４に送り込まれる。モジュレーション期間ｔ毎に送り込まれた複数の試料成分は２次カラム１４を通過する際に高い分解能で以て時間方向に分離されて溶出し、溶出した順に質量分析計１５に導入される。質量分析計１５においてスキャン測定が実行されると、スキャン測定のインターバル間隔毎に所定の質量範囲に亘るマススペクトルデータが得られる。２次カラム１４から各成分が溶出している時間幅よりも短いインターバル間隔でスキャン測定を行うことによって、全ての溶出成分を漏れなく検出することができる。こうして質量分析計１５で繰り返し取得されたマススペクトルデータはデータ格納部２１に保存される。
【００２７】
次に、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳの特徴であるバックグラウンド除去処理を含む定性処理動作について、図２〜図５を参照して詳細に説明する。図２はこの定性処理動作のフローチャート、図３は２次元クロマトグラムの一例を示す図、図４及び図５はマススペクトルに対するバックグラウンド除去処理の説明図である。
【００２８】
データ処理部２０においてクロマトグラム作成部２２は、上記のように収集されたマススペクトルデータに対し、質量電荷比に依らない全てのイオンの強度信号をマススペクトル毎に合算し、それを時間経過に従って並べることでトータルイオンクロマトグラム（ＴＩＣ）データを求める。そして、このＴＩＣデータをモジュレーション期間ｔ毎に区切り、図３（ａ）に示すように、モジュレーション期間ｔ内のデータを縦軸（Ｔ２軸）方向に順に並べ、横軸（Ｔ１軸）方向にモジュレーション期間ｔの発生順を並べるようにし、信号強度を等高線（又は色の相違）で表すことにより図３（ｂ）に示すような２次元クロマトグラムを作成する（ステップＳ１）。この２次元クロマトグラムは主制御部２０１を介して表示部４の画面上に表示される。
【００２９】
なお、２次元クロマトグラムは、横軸方向がモジュレーション期間ｔ、縦軸方向がスキャン測定のインターバル間隔Ｔに相当する時間幅をそれぞれもつ矩形状の画素の集合である。画素毎に所定質量範囲のマススペクトルデータが存在し、２次元クロマトグラム上では各画素が１つのＴＩＣデータを示す。
【００３０】
ピーク検出部２３は、２次元クロマトグラムに対し２次元的にピーク検出を実行する（ステップＳ２）。ピーク検出のアルゴリズムは特に限定されず、例えば通常の１次元的なクロマトグラム上でのピーク検出と同様にすることができる。例えば、時間軸に従って強度値をモニタしてゆき、強度値の上昇カーブの傾きが所定値以上になったときにピーク開始点とみなし、その傾きがゼロからさらに負になりその絶対値が所定値以下になったときにピーク終了点とみなすことによりピークを検出する。これを２つの時間軸それぞれで行うことにより、２次元的なピークの範囲やピークトップの位置を決めることができる。
【００３１】
２次元クロマトグラム上でピークが検出されたならば、処理対象つまりは定性対象のピークを選択する（ステップＳ３）。このピーク選択を自動的に行う場合には、例えば、ピークトップの強度の大きい順に所定個数の又は個数に依らず所定強度以上であるピークを順に選択すればよい。また、自動ではなくユーザーの指定による手動ピーク選択を行うようにすることもできる。その場合には、表示部４に表示した２次元クロマトグラム上で、検出されたピークを明示し、ユーザーが操作部３で定性したいピークをクリック操作等により指示するようにすればよい。
【００３２】
処理対象のピークが決まったならば、領域抽出部２４はまず２次元クロマトグラムにおいて、処理対象ピークのうちの１つのピークが存在する範囲を確定し、そのピーク領域の周囲にバックグラウンド領域を設定する（ステップＳ４）。この例では、図４に示すように、２次元クロマトグラム上で斜線で示す画素がピーク領域であると確定した場合、それを取り囲む最も小さな矩形の額縁状にバックグラウンド領域を設定する。即ち、外側の矩形枠と内側の矩形枠との間の、両時間軸Ｔ１、Ｔ２に沿う方向の直線状の複数の画素がバックグラウンド領域となる。ただし、バックグラウンド領域の形状はこれに限るものではなく、ピーク領域を囲み（必ずしも全周を囲んでいる必要はない）且つピーク領域の外側に近接している領域であれば任意の形状とすることができる。
【００３３】
上記ピーク領域に含まれる各画素におけるマススペクトルはバックグラウンド除去の対象とされるマススペクトルであり、一方、バックグラウンド領域に含まれる各画素におけるマススペクトルは、バックグラウンド除去に用いられるバックグラウンドスペクトルを算出するための元データとなるマススペクトルである。
【００３４】
バックグラウンド除去部２５は、上記ピーク領域中の任意の画素について、その画素のマススペクトルに重畳しているバックグラウンドを、該画素に対応したバックグラウンド領域中の複数の画素のマススペクトルから推算する（ステップＳ５）。その推算方法の一例を図５により説明する。なお、図４、図５は説明の理解を容易にするために簡略化した図であり、多くの場合、ピーク領域にはもっと多数の画素が含まれる。
【００３５】
いま、バックグラウンド領域の外枠で囲まれる矩形状の領域が、Ｔ１方向にｍ個、Ｔ２方向にｎ個の、ｍ×ｎ個の画素を含むものとする。この領域内における画素の位置を（ｉ、ｊ）、ただし、１≦ｉ≦ｍ、１≦ｊ≦ｎ、で表す。また、（ｊ、ｉ）に位置する画素に対するマススペクトルデータの中で、質量電荷比m/z＝ｋの信号強度をＩkijで表す。いま、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）に存在する任意の１個の画素に対応するマススペクトルのバックグラウンド除去を実行する場合を考える。
【００３６】
ｑの位置でＴ１軸方向に延びる直線、つまり位置（ｐ、ｑ）に存在する画素を含み、Ｔ１軸方向に一直線状に並ぶ画素列を考え、その両端、つまりバックグラウンド領域に含まれる２つの画素を抽出する。図５の例では、位置（１、ｑ）と位置（ｍ、ｑ）に存在する２つの画素である。位置（１、ｑ）及び（ｍ、ｑ）に存在する２つの画素と、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素とは、１次カラム１２の分離特性上では時間的にかなり近い。また、位置（１、ｑ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に前であり、位置（ｍ、ｑ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に後である。したがって、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルデータの中で、m/z＝ｋの信号強度Ｉkpqには、位置（１、ｑ）と位置（ｍ、ｑ）に存在する画素に対するマススペクトルデータの中でm/z＝ｋの信号強度Ｉk1q、Ｉkmqを内挿して求まる信号強度がバックグラウンドとして重畳していると考えることができる。図５右部に示すように、バックグラウンドの影響が時間的に直線的に変化すると近似すれば、直線補間による内挿によって、（１、ｑ）と（ｍ、ｑ）との間に存在する任意の画素のバックグラウンドを計算できる。即ち、Ｔ１軸方向における時間的変化を考慮したときの位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するバックグラウンドは、
Ｘkpq＝（Ｉkmq−Ｉk1q）（ｐ／ｍ）＋Ｉk1q
である。
【００３７】
一方、同様に、ｐの位置でＴ２軸方向に延びる直線、つまり位置（ｐ、ｑ）に存在する画素を含み、Ｔ２軸方向に一直線状に並ぶ画素列を考え、その両端、つまりバックグラウンド領域に含まれる２つの画素を抽出する。図５の例では、位置（ｐ、１）と位置（ｐ、ｎ）に存在する２つの画素である。位置（ｐ、１）及び（ｐ、ｎ）に存在する２つの画素と、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素とは、２次カラム１４の分離特性上では時間的にかなり近い。また、位置（ｐ、１）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に前であり、位置（ｐ、ｎ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に後である。したがって、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルデータの中で、m/z＝ｋの信号強度Ｉkpqには、位置（ｐ、１）と位置（ｐ、ｎ）に存在する画素に対するマススペクトルデータの中でm/z＝ｋの信号強度Ｉkp1、Ｉkpnを内挿して求まる信号強度がバックグラウンドとして重畳していると考えることができる。この場合も、直線補間による内挿によって、（ｐ、１）と（ｐ、ｎ）との間に存在する任意の画素のバックグラウンドを計算できるから、Ｔ２軸方向の時間的変化を考慮したときの位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するバックグラウンドは、
Ｙkpq＝（Ｉkpn−Ｉkp1）（ｑ／ｎ）＋Ｉkp1
である。
【００３８】
位置（ｐ、ｑ）にある画素にはＴ１軸方向とＴ２軸方向の影響が平均的に現れると考えることができるから、位置（ｐ、ｑ）にある画素におけるm/z＝ｋのバックグラウンドの強度は、
Ｂkpq＝（Ｘkpq＋Ｙkpq）／２
であると推定する。マススペクトル中の全ての質量電荷比m/zについて同様の推算を行うことにより、位置（ｐ、ｑ）にある画素におけるバックグラウンドスペクトルＢpqを求めることができる。
【００３９】
上述のようにしてバックグラウンドスペクトルＢpqが得られたならば、位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルＩpqからバックグラウンドスペクトルＢpqを差し引く、つまり質量電荷比毎に信号強度を差し引くことにより、バックグラウンドを除去したマススペクトルＳpqを求め、そうして得られたマススペクトルデータを処理済みデータ格納部２６に保存する（ステップＳ６）。
【００４０】
処理対象であるピークのピーク領域中で未処理の画素があればステップＳ７からＳ５へと戻り、未処理である別の画素に対して上述したステップＳ５、Ｓ６の処理を実行することで、バックグラウンドを除去したマススペクトルを求める。実際には、ピーク領域中の画素について位置（ｉ、ｊ）のｉ、ｊが小さい順に処理を進めてゆくことで、ピーク領域に含まれる全ての画素のマススペクトルに対するバックグラウンド除去を効率よく進めることができる。
【００４１】
ただし、必ずしもピーク領域に含まれる全ての画素に対するマススペクトルのバックグラウンド除去が必要となるとは限らない。即ち、後述する成分同定のために２次元クロマトグラムに現れるピークトップ付近のマススペクトルのみを利用する場合には、そのピークトップ付近のマススペクトルのみのバックグラウンドを除去すればよい。一方、特定の質量電荷比に対する信号強度に基づいて２次元クロマトグラムを作成する必要がある場合には、少なくともその質量電荷比についてピーク領域中の全ての画素においてバックグラウンド除去を行う必要がある。
【００４２】
そうして１つのピークのピーク領域中の全ての画素について処理が終了すると、ステップＳ３で選択された処理対象ピークの中で未処理のピークがあるか否かを判定し（ステップＳ８）、未処理のピークがあればステップＳ４へと戻り、別のピークについて上述したステップＳ４〜Ｓ７の処理を繰り返す。これによって、自動的に又は手動で選択された全てのピークについて、マススペクトルに重畳しているバックグラウンドが除去される。
【００４３】
その後、成分同定部２７は処理済みデータ格納部２６からバックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを読み出し、このマススペクトルを用いたデータベース検索により成分同定を行う（ステップＳ９）。具体的には例えば、２次元クロマトグラムから検出された１つのピークについて、そのピーク領域から得られたマススペクトルの平均や積算を求め、この平均又は積算マススペクトルのピークパターンに類似するピークパターンを示す成分を同定用データベース２８中で検索することにより、各ピークに対応した成分を同定する。
【００４４】
上述したように、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳでは、２次元クロマトグラムに現れるピークに対応したマススペクトルに重畳しているバックグラウンドが、そのピークの出現時刻にきわめて近接した時刻において得られるバックグラウンドスペクトルを利用して除去される。特に、１次カラム１２による分離の時間方向と２次カラム１４による分離の時間方向との両方で目的ピークの出現時刻に近い、より詳しくはピークの出現時刻の前後のバックグラウンドスペクトルがバックグラウンド除去に反映されるため、時間的に緩慢に変化する要因によるものだけでなく、比較的短時間の間に生じる外乱等に起因するバックグラウンドが的確に除去される。それによって、成分同定の正確性が向上し、同定漏れや誤同定の発生確率を下げることができる。
【００４５】
また、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳでは、２次元クロマトグラムにおいて処理対象であるピークと別のピークの一部とが重なっている場合、その別のピークが部分的にバックグラウンド領域に入ることになる。そのため、別のピークが重なった部分の多くはバックグラウンドとして除去される。ただし、こうした隣接ピークの重なりをバックグラウンドとみなして低減するためには、上述したように、Ｔ１軸方向、Ｔ２軸方向のそれぞれの直線上に位置する画素におけるマススペクトルを利用して或る画素のバックグラウンドスペクトルを推算するだけでなく、それ以外の画素におけるマススペクトルも利用することが望ましい。
【００４６】
具体的には、図６（ａ）で示すように２次元クロマトグラム上で処理対象ピークと隣接ピークとの一部が重なっている場合には、図６（ｂ）に示すように、Ｔ１（Ｔ２）軸に対して４５°の角度を有して斜め方向に延伸する線上に位置する画素におけるマススペクトルも利用して、上述したようにバックグラウンドを推算するとよい。こうして推算したバックグラウンドも上記Ｂpqに反映させると、図６（ａ）に示したピーク重なり部分もバックグラウンドとみなして適切に除去されることになる。
【００４７】
なお、上記実施例の説明では、バックグラウンド領域中の画素のマススペクトルを利用して直線補間により、目的ピークに対応した画素の位置におけるバックグラウンドを推算していたが、より正確にバックグラウンドを推定するために多項式補間や重み付き補間を行ってもよい。また、２次元クロマトグラム上でピークが孤立して存在している場合と、図６（ａ）に示したように隣接ピークが重なっている場合、或いは、或るピーク領域中に別のピークが完全に含まれている場合（様々な要因によって大きく拡がったピークのテーリングに他のシャープなピークが重畳しているような場合）とで、バックグラウンドの推算方法を適宜変えるようにしてもよい。また、バックグラウンド領域の設定の仕方についても同様に、ピークの状況に応じて適宜変えるようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記各種の変形例以外にも、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、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。
【符号の説明】
【００４９】
１…分析部
１１…試料導入部
１２…１次カラム
１３…モジュレータ
１４…２次カラム
１５…質量分析計
２…制御・処理部
２００…分析制御部
２０１…主制御部
２０…データ処理部
２１…データ格納部
２２…クロマトグラム作成部
２３…ピーク検出部
２４…領域抽出部
２５…バックグラウンド除去部
２６…処理済みデータ格納部
２７…成分同定部
２８…同定用データベース
３…操作部
４…表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的（Comprehensive）２次元ガスクロマトグラフ（ＧＣ）と質量分析装置（ＭＳ）とを組み合わせたクロマトグラフ質量分析で収集されたデータを処理するデータ処理装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置においてスキャン測定を実行することで得られるマススペクトルデータを処理するデータ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＣ分析手法の１つとして、包括的２次元ガスクロマトグラフ（「ＧＣ×ＧＣ」とも呼ばれる）という手法が知られている（特許文献１参照）。包括的２次元ＧＣは、試料中の各種成分を１次元目のカラム（以下「１次カラム」という）でまず分離し、その溶出成分をモジュレータに導入する。モジュレータは導入された成分を一定時間間隔（通常、数秒程度）毎に捕集した後にごく狭い時間バンド幅で離脱させ、２次元目のカラム（以下「２次カラム」という）に導入する、という操作を繰り返す。一般に２次カラムは１次カラムとは極性が異なり、１次カラムで十分に分離されなかった複数の成分を高速で分離可能なものが用いられる。これにより、包括的２次元ＧＣでは、１次カラムで分離されずにピークが重なった試料成分を２次カラムで分離することができ、通常のＧＣに比べて分離性能が大幅に向上する。このため、保持時間が近い成分を多数含むような試料の分析、例えばディーゼル燃料の炭化水素分析などに非常に威力を発揮する。
【０００３】
包括的２次元ＧＣでは、複数の検出器を用いるマルチディメンジョナル（ＭＤ）ＧＣとは異なり、２次カラムの出口に接続された１個の検出器によって検出信号が得られる。したがって、通常のＧＣと同様のクロマトグラム、つまりは横軸が時間軸で縦軸が信号強度軸であるクロマトグラムを作成することもできるが、一般的には、極性の相違する２本のカラムそれぞれでの分離状態を分かり易く示すために、１次カラムにおける保持時間と２次カラムにおける保持時間とをそれぞれ直交する２軸とし信号強度を等高線で表した２次元クロマトグラムや、信号強度を第３の軸とした３次元クロマトグラムが作成される。こうしたクロマトグラムを作成するためのデータ処理用のソフトウエアとしては、米国ゾエックス（ZOEX）社が提供している「GC Image」（非特許文献１参照）がよく知られている。
【０００４】
図３（ｂ）は、横軸に１次カラムの保持時間、縦軸に２次カラムの保持時間をとった２次元等高線クロマトグラムの一例である。昇温分析の場合には、横軸は沸点順を表し、縦軸は極性順を表しているため、２次元等高線クロマトグラムによれば、各化合物の性質の理解が容易であるとともに、多数の化合物が含まれる場合であってもどのような化合物が含まれているのかを容易に把握できるようになっている。
【０００５】
包括的２次元ＧＣの検出器としては一般的なＧＣの検出器と同様のものを利用することができ、多成分の混合試料を分析する場合には、検出器として質量分析装置（ＭＳ）を用いた包括的２次元ＧＣ／ＭＳが有用である。包括的２次元ＧＣ／ＭＳを用いて定性分析を行う場合には、一般的にＭＳでは所定質量範囲（厳密には質量電荷比範囲）に亘るスキャン測定が行われ、スキャン測定で取得されたマススペクトルのピークパターン（又はピークリスト）をライブラリ（データベース）に収録されている既知物質のマススペクトルデータと比較することで未知物質を同定する。
【０００６】
包括的２次元ＧＣ／ＭＳに限らず通常のＧＣ／ＭＳでも、得られるマススペクトルには様々なノイズピークが含まれ、これが上記のような成分同定の際の障害となる。そこで、通常のＧＣ／ＭＳの場合には、クロマトグラム（トータルイオンクロマトグラム）に現れるピークに対応した時間位置で得られるマススペクトルに対し、クロマトグラム上でピークが存在しない時間位置で得られるマススペクトルをバックグラウンドノイズであるとみなして差し引くようなデータ処理が実施される。
【０００７】
一方、包括的２次元ＧＣでは非特許文献２に記載のようなバックグラウンド除去手法が知られている。この手法では、２次元クロマトグラムにおいて１次カラム保持時間方向、２次カラム保持時間方向のそれぞれにおいて最小の信号値を持つ画素（２次元クロマトグラム上の１個のデータの最小単位）を見つけ、その画素の信号値と、該画素の隣接画素の信号値とを用いて平均値等を計算することによりバックグラウンドのレベルを推定し、１個の画素当たりに換算したバックグラウンドを各画素の信号値から差し引くようにしている。この非特許文献２に記載のバックグラウンド除去手法は、クロマトグラムに基づく定量性を向上させることを目的としており、時間的に緩慢に変化するバックグラウンドを想定してピークの形状を適切に求めるようにしている。
【０００８】
上述した従来の包括的２次元ＧＣのバックグラウンド除去手法では、時間的に緩慢に変化するバックグラウンドは良好に除去できるものの、２次元クロマトグラム上で目的ピークに対してきわめて近接して別のピークが存在する場合や、目的ピークに別のピークの一部が重なってしまっている場合に、こうした別ピークの影響を除去することはできない。そもそも定量分析を目的とする場合には、クロマトグラムピークの面積等のパラメータが正確に求まることが重要であり、２次元クロマトグラム上でピークが重なるような状況の下での定量分析は一般的には行われない。
【０００９】
これに対し、特に試料に多種の成分が含まれる状況で重要なのは定性分析であり、包括的２次元ＧＣ／ＭＳで得られる結果に基づく定性性を高めるには、上述したようにマススペクトルに現れるノイズをできるだけ除去することが重要である。この場合、目的成分由来のピークの強度の正確性は重要である。しかしながら、上述した従来の包括的２次元ＧＣのバックグラウンド除去手法では、２次元クロマトグラム上でピークの分離が十分でない場合に、それらピークの出現時刻におけるマススペクトルに重畳しているノイズピークを的確に除去することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−１２２８２２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「GC Image GCxGC Software」、[online]、米国ゾエックス（Zoex）社、［平成２３年９月１日検索］、インターネット＜URL : http://www.gcimage.com/gcxgc/index.html＞
【非特許文献２】ライヒェンバッハ（S. E. Reichenbach）ほか３名、「イメージ・バックグラウンド・リムーバル・イン・コンプリヘンシブ・トゥ-ディメンジョナル・ガス・クロマトグラフィ（Image background removal in comprehensive two-dimensional gas chromatography）」、ジャーナル・オブ・クロマトグラフィ（Journal of chromatography）Ａ、Vol.985、2003年、p.47-56
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、包括的２次元ＧＣ／ＭＳで得られるマススペクトルデータに重畳されているノイズを的確に除去することで、例えばマススペクトルデータを用いた定性の性能を向上させることができる包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明は、１次カラム、モジュレータ、及び２次カラムを具備する包括的２次元クロマトグラフで分離された試料を質量分析装置に導入し、該質量分析装置において所定質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を実行することにより収集されたマススペクトルデータを処理する包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
a)収集されたマススペクトルデータに基づいて総イオン強度の時間的変化を示す２次元クロマトグラムを作成する２次元クトマログラム作成手段と、
b)該２次元クロマトグラムに対しピーク検出を行うピーク検出手段と、
c)前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上で、前記ピーク検出手段により検出されたピークに対応するピーク領域と該ピーク領域の周囲のバックグラウンド領域とを決定する領域決定手段と、
d)前記バックグラウンド領域中の複数の測定点におけるマススペクトルデータに基づいて前記ピーク領域中の少なくとも１つの測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算し、推算されたバックグラウンドを除去したマススペクトルを求めるバックグラウンド除去手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
なお、上記「測定点」とは、所定質量範囲のマススペクトルデータを取得する保持時間を示す、２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上の点である。トータルイオンクロマトグラム（ＴＩＣ）データに基づいて作成・表示される２次元クロマトグラムにおいて１つの測定点は１つの画素を示すから、以下の説明において測定点と画素は同義である。
【００１５】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置では、２次元クロマトグラムに現れるピークの中で、目的とするピーク、より具体的には同定したいピークの周辺にバックグラウンド領域を設定する。即ち、このバックグラウンド領域中の測定点、つまり保持時間は、目的ピークの出現する時間に近接しており、バックグラウンドが比較的短時間に変化する状況であっても、バックグラウンド領域中の測定点におけるバックグラウンドスペクトルと目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドとは相関性があると推定される。そのため、バックグラウンド除去手段は、目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドスペクトルを的確に推定することができ、バックグラウンドの影響の少ないマススペクトルを求めることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置では、好ましくは、前記バックグラウンド除去手段は、前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上において、前記バックグラウンド領域中で且つ目的ピークに対応する測定点を含む直線上で該測定点を挟んだ両側にそれぞれバックグラウンド基準測定点を定め、該複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて前記目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算する構成とするとよい。複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいてピーク領域中の測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算する際には、例えば、質量電荷比毎に複数のバックグラウンド基準測定点における信号強度を内挿するとよい。最も簡単な内挿は直線補間であるが、多項式補間や重み付け補間を行ってもよい。
【００１７】
さらに好ましくは、上記バックグラウンド基準測定点を定めるための直線は、２次元クロマトグラムの２つの時間軸に沿った２本の直線を含むものとし、その２本以上の直線上で目的ピークに対応する測定点を挟んだ両側にそれぞれ定められた４以上のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて目的ピークに対応する測定点におけるバックグラウンドを推算する構成とするとよい。
【００１８】
この構成によれば、１次カラムの分離特性上で目的ピークに時間的に近い測定点と、２次カラムの分離特性上で目的ピークに時間的に近い測定点とがバックグラウンド基準測定点として選択され、しかも２つの時間軸に沿った方向で内挿が行われるので、目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルに重畳しているバックグラウンドスペクトルをより的確に推定することが可能となる。それによって、バックグラウンド除去の精度も向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置によれば、時間的に緩慢に変化する要因によるものだけでなく、比較的短時間の間に生じる外乱等に起因するバックグラウンドを的確に除去したマススペクトルを取得することができる。また、２次元クロマトグラムにおいて目的ピークに別のピークの一部が重なっている場合、その別のピークも部分的にバックグラウンド領域に入ることになるため、別のピークの重なり部分もバックグラウンドとして除去し、目的ピークにおけるマススペクトルの純度を高めることができる。それによって、マススペクトルを利用した成分同定などの精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るデータ処理装置を備えた包括的２次元ＧＣ／ＭＳの一実施例の概略構成図。
【図２】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおける定性処理動作のフローチャート。
【図３】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおいて作成される２次元等高線クロマトグラムの一例を示す図。
【図４】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおけるマススペクトルのバックグラウンド除去処理の説明図。
【図５】本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳにおけるマススペクトルのバックグラウンド除去処理の説明図。
【図６】マススペクトルのバックグラウンド除去処理の他の実施例の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置を用いた包括的２次元ＧＣ／ＭＳの一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例による包括的２次元ＧＣ／ＭＳの概略構成図である。
【００２２】
分析部１は、１次カラム１２、該１次カラム１２に試料ガスを導入する試料気化室などを含む試料導入部１１、１次カラム１２から溶出する成分（化合物）を一定時間間隔で捕集し時間的に圧縮して送り出すモジュレータ１３、１次カラム１２とは異なる分離特性（典型的には異なる極性）を有する高速分離可能な２次カラム１４、及び、２段階のカラム１２、１４で分離された各成分を検出する質量分析計１５、を備える。質量分析計１５は質量分析器として四重極マスフィルタを用いた四重極型質量分析計であり、指定された質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定が可能である。
【００２３】
分析部１に含まれる各部の動作は、制御・処理部２に含まれる分析制御部２００により制御される。制御・処理部２に含まれるデータ処理部２０は、質量分析計１５で取得されたデータを処理し試料に含まれる各種成分を同定する（つまり定性分析する）機能を有する。より詳しくは、データ処理部２０は、時間経過に伴って順次得られるマススペクトルデータを格納するデータ格納部２１、該マススペクトルデータに基づいて２次元クロマトグラムを作成するクロマトグラム作成部２２、その２次元クロマトグラム上でピークを検出するピーク検出部２３、ピーク検出結果に基づいて２次元クロマトグラム上でピークが存在するピーク領域とバックグラウンド領域とをそれぞれ決定する領域抽出部２４、マススペクトルに重畳しているバックグラウンドを除去するバックグラウンド除去部２５、バックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを保存する処理済みデータ格納部２６、化合物毎にマススペクトルのピーク情報などが収録されている同定用データベース２８、及び、バックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを用い同定用データベース２８を参照して成分同定を行う成分同定部２７、などの機能ブロックを含む。
【００２４】
また制御・処理部２に含まれる主制御部２０１には、ユーザーインターフェイスとしての操作部３や表示部４が接続されている。この主制御部２０１、分析制御部２００、データ処理部２０は、パーソナルコンピュータをハードウエア資源とし、そのパーソナルコンピュータに予めインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより実現されるようにすることができる。
【００２５】
まず、分析部１における分析動作、つまりデータ収集動作を概略的に説明する。分析部１において、試料導入部１１は分析制御部２００からの指示に応じて、１次カラム１２に略一定流量で送られるキャリアガス中に分析対象である試料を導入する。通常、この試料には多数の成分（化合物）が含まれる。該試料に含まれる各種成分は、所定の昇温プログラムに従って温調された１次カラム１２を通過する間に分離されて時間的にずれて溶出する。この時点では全ての成分が十分に分離されるとは限らず、１次カラム１２での保持時間が近い成分は重なって（混じった状態で）溶出する。
【００２６】
モジュレータ１３は一定時間（＝モジュレーション期間ｔ：一般に数秒〜最大でも１０秒程度）中に１次カラム１２から溶出してくる成分を全て捕集し、時間的に圧縮して２次カラム１４に送り込む、という操作を連続的に繰り返す。したがって、１次カラム１２からの溶出成分は漏れなく２次カラム１４に送り込まれる。モジュレーション期間ｔ毎に送り込まれた複数の試料成分は２次カラム１４を通過する際に高い分解能で以て時間方向に分離されて溶出し、溶出した順に質量分析計１５に導入される。質量分析計１５においてスキャン測定が実行されると、スキャン測定のインターバル間隔毎に所定の質量範囲に亘るマススペクトルデータが得られる。２次カラム１４から各成分が溶出している時間幅よりも短いインターバル間隔でスキャン測定を行うことによって、全ての溶出成分を漏れなく検出することができる。こうして質量分析計１５で繰り返し取得されたマススペクトルデータはデータ格納部２１に保存される。
【００２７】
次に、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳの特徴であるバックグラウンド除去処理を含む定性処理動作について、図２〜図５を参照して詳細に説明する。図２はこの定性処理動作のフローチャート、図３は２次元クロマトグラムの一例を示す図、図４及び図５はマススペクトルに対するバックグラウンド除去処理の説明図である。
【００２８】
データ処理部２０においてクロマトグラム作成部２２は、上記のように収集されたマススペクトルデータに対し、質量電荷比に依らない全てのイオンの強度信号をマススペクトル毎に合算し、それを時間経過に従って並べることでトータルイオンクロマトグラム（ＴＩＣ）データを求める。そして、このＴＩＣデータをモジュレーション期間ｔ毎に区切り、図３（ａ）に示すように、モジュレーション期間ｔ内のデータを縦軸（Ｔ２軸）方向に順に並べ、横軸（Ｔ１軸）方向にモジュレーション期間ｔの発生順を並べるようにし、信号強度を等高線（又は色の相違）で表すことにより図３（ｂ）に示すような２次元クロマトグラムを作成する（ステップＳ１）。この２次元クロマトグラムは主制御部２０１を介して表示部４の画面上に表示される。
【００２９】
なお、２次元クロマトグラムは、横軸方向がモジュレーション期間ｔ、縦軸方向がスキャン測定のインターバル間隔Ｔに相当する時間幅をそれぞれもつ矩形状の画素の集合である。画素毎に所定質量範囲のマススペクトルデータが存在し、２次元クロマトグラム上では各画素が１つのＴＩＣデータを示す。
【００３０】
ピーク検出部２３は、２次元クロマトグラムに対し２次元的にピーク検出を実行する（ステップＳ２）。ピーク検出のアルゴリズムは特に限定されず、例えば通常の１次元的なクロマトグラム上でのピーク検出と同様にすることができる。例えば、時間軸に従って強度値をモニタしてゆき、強度値の上昇カーブの傾きが所定値以上になったときにピーク開始点とみなし、その傾きがゼロからさらに負になりその絶対値が所定値以下になったときにピーク終了点とみなすことによりピークを検出する。これを２つの時間軸それぞれで行うことにより、２次元的なピークの範囲やピークトップの位置を決めることができる。
【００３１】
２次元クロマトグラム上でピークが検出されたならば、処理対象つまりは定性対象のピークを選択する（ステップＳ３）。このピーク選択を自動的に行う場合には、例えば、ピークトップの強度の大きい順に所定個数の又は個数に依らず所定強度以上であるピークを順に選択すればよい。また、自動ではなくユーザーの指定による手動ピーク選択を行うようにすることもできる。その場合には、表示部４に表示した２次元クロマトグラム上で、検出されたピークを明示し、ユーザーが操作部３で定性したいピークをクリック操作等により指示するようにすればよい。
【００３２】
処理対象のピークが決まったならば、領域抽出部２４はまず２次元クロマトグラムにおいて、処理対象ピークのうちの１つのピークが存在する範囲を確定し、そのピーク領域の周囲にバックグラウンド領域を設定する（ステップＳ４）。この例では、図４に示すように、２次元クロマトグラム上で斜線で示す画素がピーク領域であると確定した場合、それを取り囲む最も小さな矩形の額縁状にバックグラウンド領域を設定する。即ち、外側の矩形枠と内側の矩形枠との間の、両時間軸Ｔ１、Ｔ２に沿う方向の直線状の複数の画素がバックグラウンド領域となる。ただし、バックグラウンド領域の形状はこれに限るものではなく、ピーク領域を囲み（必ずしも全周を囲んでいる必要はない）且つピーク領域の外側に近接している領域であれば任意の形状とすることができる。
【００３３】
上記ピーク領域に含まれる各画素におけるマススペクトルはバックグラウンド除去の対象とされるマススペクトルであり、一方、バックグラウンド領域に含まれる各画素におけるマススペクトルは、バックグラウンド除去に用いられるバックグラウンドスペクトルを算出するための元データとなるマススペクトルである。
【００３４】
バックグラウンド除去部２５は、上記ピーク領域中の任意の画素について、その画素のマススペクトルに重畳しているバックグラウンドを、該画素に対応したバックグラウンド領域中の複数の画素のマススペクトルから推算する（ステップＳ５）。その推算方法の一例を図５により説明する。なお、図４、図５は説明の理解を容易にするために簡略化した図であり、多くの場合、ピーク領域にはもっと多数の画素が含まれる。
【００３５】
いま、バックグラウンド領域の外枠で囲まれる矩形状の領域が、Ｔ１方向にｍ個、Ｔ２方向にｎ個の、ｍ×ｎ個の画素を含むものとする。この領域内における画素の位置を（ｉ、ｊ）、ただし、１≦ｉ≦ｍ、１≦ｊ≦ｎ、で表す。また、（ｊ、ｉ）に位置する画素に対するマススペクトルデータの中で、質量電荷比m/z＝ｋの信号強度をＩkijで表す。いま、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）に存在する任意の１個の画素に対応するマススペクトルのバックグラウンド除去を実行する場合を考える。
【００３６】
ｑの位置でＴ１軸方向に延びる直線、つまり位置（ｐ、ｑ）に存在する画素を含み、Ｔ１軸方向に一直線状に並ぶ画素列を考え、その両端、つまりバックグラウンド領域に含まれる２つの画素を抽出する。図５の例では、位置（１、ｑ）と位置（ｍ、ｑ）に存在する２つの画素である。位置（１、ｑ）及び（ｍ、ｑ）に存在する２つの画素と、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素とは、１次カラム１２の分離特性上では時間的にかなり近い。また、位置（１、ｑ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に前であり、位置（ｍ、ｑ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に後である。したがって、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルデータの中で、m/z＝ｋの信号強度Ｉkpqには、位置（１、ｑ）と位置（ｍ、ｑ）に存在する画素に対するマススペクトルデータの中でm/z＝ｋの信号強度Ｉk1q、Ｉkmqを内挿して求まる信号強度がバックグラウンドとして重畳していると考えることができる。図５右部に示すように、バックグラウンドの影響が時間的に直線的に変化すると近似すれば、直線補間による内挿によって、（１、ｑ）と（ｍ、ｑ）との間に存在する任意の画素のバックグラウンドを計算できる。即ち、Ｔ１軸方向における時間的変化を考慮したときの位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するバックグラウンドは、
Ｘkpq＝（Ｉkmq−Ｉk1q）（ｐ／ｍ）＋Ｉk1q
である。
【００３７】
一方、同様に、ｐの位置でＴ２軸方向に延びる直線、つまり位置（ｐ、ｑ）に存在する画素を含み、Ｔ２軸方向に一直線状に並ぶ画素列を考え、その両端、つまりバックグラウンド領域に含まれる２つの画素を抽出する。図５の例では、位置（ｐ、１）と位置（ｐ、ｎ）に存在する２つの画素である。位置（ｐ、１）及び（ｐ、ｎ）に存在する２つの画素と、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素とは、２次カラム１４の分離特性上では時間的にかなり近い。また、位置（ｐ、１）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に前であり、位置（ｐ、ｎ）は位置（ｐ、ｑ）よりも時間的に後である。したがって、ピーク領域中の位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルデータの中で、m/z＝ｋの信号強度Ｉkpqには、位置（ｐ、１）と位置（ｐ、ｎ）に存在する画素に対するマススペクトルデータの中でm/z＝ｋの信号強度Ｉkp1、Ｉkpnを内挿して求まる信号強度がバックグラウンドとして重畳していると考えることができる。この場合も、直線補間による内挿によって、（ｐ、１）と（ｐ、ｎ）との間に存在する任意の画素のバックグラウンドを計算できるから、Ｔ２軸方向の時間的変化を考慮したときの位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するバックグラウンドは、
Ｙkpq＝（Ｉkpn−Ｉkp1）（ｑ／ｎ）＋Ｉkp1
である。
【００３８】
位置（ｐ、ｑ）にある画素にはＴ１軸方向とＴ２軸方向の影響が平均的に現れると考えることができるから、位置（ｐ、ｑ）にある画素におけるm/z＝ｋのバックグラウンドの強度は、
Ｂkpq＝（Ｘkpq＋Ｙkpq）／２
であると推定する。マススペクトル中の全ての質量電荷比m/zについて同様の推算を行うことにより、位置（ｐ、ｑ）にある画素におけるバックグラウンドスペクトルＢpqを求めることができる。
【００３９】
上述のようにしてバックグラウンドスペクトルＢpqが得られたならば、位置（ｐ、ｑ）にある画素に対するマススペクトルＩpqからバックグラウンドスペクトルＢpqを差し引く、つまり質量電荷比毎に信号強度を差し引くことにより、バックグラウンドを除去したマススペクトルＳpqを求め、そうして得られたマススペクトルデータを処理済みデータ格納部２６に保存する（ステップＳ６）。
【００４０】
処理対象であるピークのピーク領域中で未処理の画素があればステップＳ７からＳ５へと戻り、未処理である別の画素に対して上述したステップＳ５、Ｓ６の処理を実行することで、バックグラウンドを除去したマススペクトルを求める。実際には、ピーク領域中の画素について位置（ｉ、ｊ）のｉ、ｊが小さい順に処理を進めてゆくことで、ピーク領域に含まれる全ての画素のマススペクトルに対するバックグラウンド除去を効率よく進めることができる。
【００４１】
ただし、必ずしもピーク領域に含まれる全ての画素に対するマススペクトルのバックグラウンド除去が必要となるとは限らない。即ち、後述する成分同定のために２次元クロマトグラムに現れるピークトップ付近のマススペクトルのみを利用する場合には、そのピークトップ付近のマススペクトルのみのバックグラウンドを除去すればよい。一方、特定の質量電荷比に対する信号強度に基づいて２次元クロマトグラムを作成する必要がある場合には、少なくともその質量電荷比についてピーク領域中の全ての画素においてバックグラウンド除去を行う必要がある。
【００４２】
そうして１つのピークのピーク領域中の全ての画素について処理が終了すると、ステップＳ３で選択された処理対象ピークの中で未処理のピークがあるか否かを判定し（ステップＳ８）、未処理のピークがあればステップＳ４へと戻り、別のピークについて上述したステップＳ４〜Ｓ７の処理を繰り返す。これによって、自動的に又は手動で選択された全てのピークについて、マススペクトルに重畳しているバックグラウンドが除去される。
【００４３】
その後、成分同定部２７は処理済みデータ格納部２６からバックグラウンドが除去されたマススペクトルデータを読み出し、このマススペクトルを用いたデータベース検索により成分同定を行う（ステップＳ９）。具体的には例えば、２次元クロマトグラムから検出された１つのピークについて、そのピーク領域から得られたマススペクトルの平均や積算を求め、この平均又は積算マススペクトルのピークパターンに類似するピークパターンを示す成分を同定用データベース２８中で検索することにより、各ピークに対応した成分を同定する。
【００４４】
上述したように、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳでは、２次元クロマトグラムに現れるピークに対応したマススペクトルに重畳しているバックグラウンドが、そのピークの出現時刻にきわめて近接した時刻において得られるバックグラウンドスペクトルを利用して除去される。特に、１次カラム１２による分離の時間方向と２次カラム１４による分離の時間方向との両方で目的ピークの出現時刻に近い、より詳しくはピークの出現時刻の前後のバックグラウンドスペクトルがバックグラウンド除去に反映されるため、時間的に緩慢に変化する要因によるものだけでなく、比較的短時間の間に生じる外乱等に起因するバックグラウンドが的確に除去される。それによって、成分同定の正確性が向上し、同定漏れや誤同定の発生確率を下げることができる。
【００４５】
また、本実施例の包括的２次元ＧＣ／ＭＳでは、２次元クロマトグラムにおいて処理対象であるピークと別のピークの一部とが重なっている場合、その別のピークが部分的にバックグラウンド領域に入ることになる。そのため、別のピークが重なった部分の多くはバックグラウンドとして除去される。ただし、こうした隣接ピークの重なりをバックグラウンドとみなして低減するためには、上述したように、Ｔ１軸方向、Ｔ２軸方向のそれぞれの直線上に位置する画素におけるマススペクトルを利用して或る画素のバックグラウンドスペクトルを推算するだけでなく、それ以外の画素におけるマススペクトルも利用することが望ましい。
【００４６】
具体的には、図６（ａ）で示すように２次元クロマトグラム上で処理対象ピークと隣接ピークとの一部が重なっている場合には、図６（ｂ）に示すように、Ｔ１（Ｔ２）軸に対して４５°の角度を有して斜め方向に延伸する線上に位置する画素におけるマススペクトルも利用して、上述したようにバックグラウンドを推算するとよい。こうして推算したバックグラウンドも上記Ｂpqに反映させると、図６（ａ）に示したピーク重なり部分もバックグラウンドとみなして適切に除去されることになる。
【００４７】
なお、上記実施例の説明では、バックグラウンド領域中の画素のマススペクトルを利用して直線補間により、目的ピークに対応した画素の位置におけるバックグラウンドを推算していたが、より正確にバックグラウンドを推定するために多項式補間や重み付き補間を行ってもよい。また、２次元クロマトグラム上でピークが孤立して存在している場合と、図６（ａ）に示したように隣接ピークが重なっている場合、或いは、或るピーク領域中に別のピークが完全に含まれている場合（様々な要因によって大きく拡がったピークのテーリングに他のシャープなピークが重畳しているような場合）とで、バックグラウンドの推算方法を適宜変えるようにしてもよい。また、バックグラウンド領域の設定の仕方についても同様に、ピークの状況に応じて適宜変えるようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記各種の変形例以外にも、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、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。
【符号の説明】
【００４９】
１…分析部
１１…試料導入部
１２…１次カラム
１３…モジュレータ
１４…２次カラム
１５…質量分析計
２…制御・処理部
２００…分析制御部
２０１…主制御部
２０…データ処理部
２１…データ格納部
２２…クロマトグラム作成部
２３…ピーク検出部
２４…領域抽出部
２５…バックグラウンド除去部
２６…処理済みデータ格納部
２７…成分同定部
２８…同定用データベース
３…操作部
４…表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次カラム、モジュレータ、及び２次カラムを具備する包括的２次元クロマトグラフで分離された試料を質量分析装置に導入し、該質量分析装置において所定質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を実行することにより収集されたマススペクトルデータを処理する包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
a)収集されたマススペクトルデータに基づいて総イオン強度の時間的変化を示す２次元クロマトグラムを作成する２次元クトマログラム作成手段と、
b)該２次元クロマトグラムに対しピーク検出を行うピーク検出手段と、
c)前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上で、前記ピーク検出手段により検出されたピークに対応するピーク領域と該ピーク領域の周囲のバックグラウンド領域とを決定する領域決定手段と、
d)前記バックグラウンド領域中の複数の位置におけるマススペクトルデータに基づいて前記ピーク領域中の少なくとも１つの位置におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算し、推算されたバックグラウンドを除去したマススペクトルを求めるバックグラウンド除去手段と、
を備えることを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
前記バックグラウンド除去手段は、前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上において、前記バックグラウンド領域中で且つ目的ピークに対応する測定点を含む直線上で該測定点を挟んだ両側にそれぞれバックグラウンド基準測定点を定め、該複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて前記目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算することを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
前記バックグラウンド基準測定点を定めるための直線は、２次元クロマトグラムの２つの時間軸に沿った２本の直線を含むものとし、その２本以上の直線上で目的ピークに対応する測定点を挟んだ両側にそれぞれ定められた４以上のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて目的ピークに対応する測定点におけるバックグラウンドを推算することを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【請求項１】
１次カラム、モジュレータ、及び２次カラムを具備する包括的２次元クロマトグラフで分離された試料を質量分析装置に導入し、該質量分析装置において所定質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を実行することにより収集されたマススペクトルデータを処理する包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
a)収集されたマススペクトルデータに基づいて総イオン強度の時間的変化を示す２次元クロマトグラムを作成する２次元クトマログラム作成手段と、
b)該２次元クロマトグラムに対しピーク検出を行うピーク検出手段と、
c)前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上で、前記ピーク検出手段により検出されたピークに対応するピーク領域と該ピーク領域の周囲のバックグラウンド領域とを決定する領域決定手段と、
d)前記バックグラウンド領域中の複数の位置におけるマススペクトルデータに基づいて前記ピーク領域中の少なくとも１つの位置におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算し、推算されたバックグラウンドを除去したマススペクトルを求めるバックグラウンド除去手段と、
を備えることを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
前記バックグラウンド除去手段は、前記２次元クロマトグラムの２つの時間軸がなす平面上において、前記バックグラウンド領域中で且つ目的ピークに対応する測定点を含む直線上で該測定点を挟んだ両側にそれぞれバックグラウンド基準測定点を定め、該複数のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて前記目的ピークに対応する測定点におけるマススペクトルのバックグラウンドを推算することを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置であって、
前記バックグラウンド基準測定点を定めるための直線は、２次元クロマトグラムの２つの時間軸に沿った２本の直線を含むものとし、その２本以上の直線上で目的ピークに対応する測定点を挟んだ両側にそれぞれ定められた４以上のバックグラウンド基準測定点のマススペクトルデータに基づいて目的ピークに対応する測定点におけるバックグラウンドを推算することを特徴とする包括的２次元クロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６８４４４（Ｐ２０１３−６８４４４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５５０４（Ｐ２０１１−２０５５０４）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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