概要：
科学者は荷電粒子がそれらの電荷対質量比（Q/m）に基づいて、電磁場によって分離できることを発見して以来、質量分析（Mass Spectrometry）の科学分野は100年以上にわたり絶え間ない研究開発を続けてきました。分光測定システムは現在数多くの構成で提供されていますが、それらの性能はいくつかの基本要素に依存しています。近年の質量分析計において、これは通常、イオン源（分析中の材料からイオンを励起する）、質量分析器、粒子検出器およびそれに関連する電子機器で構成されます。Figure1は、これらの主要部分の簡略ブロック図を示しています。
イオン源：
質量分析では、イオン源の数は膨大であり、それぞれ異なる固体、液体、気体を分析するための固有の長所と短所があります。イオン化の方法は、どの種類のサンプルを分析できるかにおいて重要な役割を果たします。例えば、固体または液体の生物学的試料については、エレクトロスプレー（ES）またはマトリックス支援レーザ脱離／イオン化（MALDI）などの技術を使用することが一般的ですが、高分子量の化合物の分析には化学イオン化法がより適切です。
質量分析計：
サンプルからイオンが励起されると、イオンは電界または磁界を介して質量分析器に渡されます。本質的に、電界はイオンに力を加えます。そして、質量と電荷が異なるイオンは異なる速度で加速されるので、それらを分離することができます。この場合も、質量分析にはさまざまな質量分析計が使用されており、それぞれに長所と短所があります。より一般的な質量分析器のいくつかは、飛行時間（TOF）として知られる技術に基づいています。この方法は同じ電場を通してイオンを加速し、分析装置は各イオンが検出器に移動するまでの飛行時間を測定します。同じ電荷を持つイオンの場合、それらの加速と速度はそれらの質量にのみ依存します。軽い粒子が最初に検出器に到達し、より重い粒子がそれに続きます。
他の質量分析器は、振動電界（４本の棒によって生成される無線周波数四重極電界など）および磁界を使用することによって選択的質量フィルタリングを可能にします。これらの技術は機器の複雑さを増しますが、それらはまた測定分解能および感度の向上の可能性を提供します。
検出器：
質量分析計の最後の部分は検出器です。これは通常、荷電粒子の到着を検出してそれを電気パルスに変換するために使用される電子増倍管からなります。このプロセスは一般に、荷電粒子が開始電極に衝突した後に電子なだれを生成するために多数の荷電プレートを使用します。電子増倍管は様々な設計および材料で入手可能です。一般的な乗算器には、それぞれ異なる電位電圧の逐次乗算電極を使用して電子をカスケードする「離散ダイノード」乗算器、およびファネル効果を生み出すために半導体材料および曲線設計を使用する「連続ダイノード」乗算器が含まれます。その結果、後続の測定と分析のために電子機器に転送される電気パルスが生成されます。
パルスの分析：
最も単純な質量分析計は、アナログ測定を可能にするために電流または電荷-電圧変換器を使用します。より高度なシステムでは、プリアンプ、ディスクリミネータ、カウンタ、TDC（Time to Digital Converter）、デジタルオシロスコープ、デジタイザなどのパルスまたはイオンカウント方式が使用されています（Figure1を参照）。最近のほとんどのTOF MSシステムは、TDCまたはデジタイザ技術を使用しています。
TDCを使用する：
TDCは、各TOFイベントの到着時間を測定するために最も費用効果の高い方法を提供し、マススペクトルのヒストグラムの作成を可能にします（特定の到着時間を有するパルスが生じる回数を示す）。それらは、理想的には単一のイオンがいつでも検出器に衝突します、ESIまたはLCMSに見られるようなイオン計数システムに非常に適しています。
TDCを使用すると、非常に正確なTOF測定を行うことができます。ただし、TDCはタイミング情報のみを提供し、パルス幅や高さなどのその他の特性は一般に失われます。加えて、TDCは同じ時間または類似の時間に検出器に到達するイオンによって生成される複数のパルスを分解することが困難です。TDCはこれらの種類の複数のパルスを単一のイベントとしてカウントします。これは、（MALDI-TOFのように）各ピークで複数のイオンが検出器に衝突するシステムでTDCを使用することを非常に困難にする可能性があります。
複数のパルスを処理する際のもう1つの問題は、それがタイムスキュー効果（質量ピークのシフト）を引き起こす可能性があることです。TDCは、単一のイベントおよび複数のイベントによって生成されたパルスについてわずかに異なる時間に発生する可能性があるパルスの一方のエッジのみを検出します。これは、特に高イオンカウントレートの状況では、重大な問題になる可能性があります。
最後に、優れたダイナミックレンジを持つスペクトルを作成するためには、多くのデータを取得する必要があります。実際には、これは数万になる可能性があり、システムの繰り返し率が低い場合非常に困難になります。これは、レーザーショットが1秒間に数回発射されることに依存している場合に当てはまります。
第一世代デジタイザとアベレージャ：
TDCを使用することの欠点を克服するために、デジタイザを使用してパルス波形全体を集録することが可能です。検出器に最適なデジタイザは、パルス到着時間だけでなくその形状と振幅も測定することができます。さらに、十分な集録メモリを備えたデジタイザは、1回のトリガで、同じ集録で異なる時間に到着する多数のパルスを集録できます。このように、マイクロ秒から数十ミリ秒の期間にわたってパルスを取得するマルチヒット装置として動作することができます。
歴史的に、デジタイザの使用は比較的低いイオン源事象率を有する質量分析に限定されていました。例えば、MALDI-TOFシステムでは、レーザの繰り返し周波数は通常数百ヘルツ未満です。これは、デジタイザがデータを取得すると、通常、別のデータを取得する前にデジタル化されたデータをホストコンピュータにオフロードする必要があるためです。初期のPCベースのデジタイザの殆どは、PCIテクノロジをベースとしており、このようなものは約100 MB/sの速度でしかデータを転送できません。これにより、デジタイザ製造業者は、通常はフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を用いて、追加のオンボードメモリおよび追加ハードウェアを有する製品を作成するようになり、オンボードで複数の取得を処理および格納することができるようになりました。追加のハードウェアは、コンピュータに送信する必要があるデータ量を効果的に削減します。これを使った商品は信号「アベレージャ」または統合型過渡レコーダと呼ばれることがあります。
より速いトリガと取得レートにより、アベレージャは、ほとんどの直交加速（aoTOF）機のような連続イオン源や誘導結合プラズマ（ICP）によって生成されるイオンを使用するようなスペクトロメーターで見られる、より高い繰り返し率での作業に適しています。
これらのシステムでは、繰り返し周波数は数十KHzです。アベレージャ製品の主な不利益は、そのコスト（通常は従来のデジタイザよりも高い）と、ハードウェアの集録メモリが限られているため、最大シングルショットキャプチャ時間が制限されることです。
新世代のデジタイザ (A/Dボード)：
最新世代のデジタイザ (A/Dボード)は、これらの不足をなくすために大いに役立ちました。古いPCIではなくPCIeバスを使用することで、データ転送速度は3 GB/sを簡単に超えることができます。さらに、ほとんどの高速デジタイザ (A/Dボード)は現在、FPGAテクノロジを標準装備しています。超高速転送レートとFPGAテクノロジにより、ユーザーは独自の信号処理パスを効果的に選択できます。取得した波形は、取得と同じ速さでPCに転送することができるため、ハードウェアベースとソフトウェアベースの平均化プロセスを適切に利用できます。たとえば、Figure2に示すSpectrum製 「M4i.2230-x 8」A/Dボードは、最大5 GS/sのレートでサンプリングでき、1.5 GHzを超える帯域幅と4 Gサンプルのオンボードメモリを備えています。これは容易に長い取得により、高速な数nsパルスを捕獲することができます。ユニットには、使用時に最大150 kHzのトリガレートで32 kサンプルの集録、または38 KHzまでのレートで128 kサンプルの集録の合計を有効にできるFPGAがあります。さらに長い集録では、6 KHzを超えるレートで512 kサンプルの集録をソフトウェアで集計できるようカードはテストされています。ソフトウェアで複数の長いデータを集録できるのは、主に最大8 GB/sのデータ転送速度をサポートする8レーン、Gen2のPCIバスによるものです。セットアップとテスト結果を含む、M4iシリーズA/Dボードがハードウェアとソフトウェアの平均化を実行する方法の詳細については、こちらの製品ノート「ソフトウェアベースの高速ブロック平均化の使用」を参照してください。
http://spectrum-instrumentation.com/en/using-software-based-fast-block-averaging
最新のデジタイザ (A/Dボード)のもう1つの特徴は、TDCと同様に動作できるということです。適切なファームウェア（Spectrum社の”Block Statistics”オプションなど）を使用すると、ピーク検出機能を実行するようにカードを設定できます。これにより、ピークの位置（トリガーポイントを基準とした位置）がその最大値または最小値とともに効果的に特定されます。このモードは非常に高いトリガレートで動作することができ、その結果はピーク位置のヒストグラムを作成するために使用することができます。
デジタイザ (A/Dボード) の選択：
市場に出回っているさまざまな質量分析機器は、1枚のデジタイザ (A/Dボード )ですべての機能をカバーすることはできません。サンプリングレートや帯域幅などのデジタル化可能な最も狭いパルスを定義する重要な仕様と、大きなパルスと小さなパルスの両方を取得する能力に影響を与える垂直方向の分解能とダイナミックレンジを考慮する必要があります。Spectrum社には、さまざまな性能機能を提供する幅広いデジタイザがあります。次の表は、質量分析での使用に最も適したモデルをまとめたものです。
おすすめの高速A/Dボードはこちらをご確認ください：
M4i.2230-x8：5GHz 高速A/Dボード (PCIe)
M4i.2221-x8：2.5GHz 高速A/Dボード (PCIe)
M4i.2212-x8：1.25GHz 高速A/D ボード (PCIe)
M4i.4451-x8：500MHz 高速A/D ボード (PCIe)
M4i.4421-x8：250MHz A/D ボード (PCIe)
低ノイズプリアンプ：
デジタイザに入力する前に増幅が必要な低振幅パルスの場合、Spectrum社は、上記のA/Dボード製品のほとんどで使用できる、小型でコンパクトなプリアンプを幅広く提供しています（Figure3を参照）。これらの低ノイズアンプは、ACおよびDCカップリング、50Ωおよび1MΩインピーダンス、x 10、x 100のゲイン、および最大2 GHzの帯域幅で利用できます。フルレンジのプリアンプの詳細については、Spectrum社のWebサイトをご覧ください。
http://spectrum-instrumentation.com/en/external-pre-amplifier
ケーススタディ：
ご説明したように、イオン源は特定の分光計によって分析することができる試料の種類を決定する際に重要な役割を果たします。製薬業界に大きな可能性を提供する１つの技術は共鳴増強
多光子イオン化（REMPI）です。REMPIは、神経伝達物質などの分子に関する正確な構造情報を生成するAb initio計算と組み合わせたレーザーベースの気相分光法です。その結果、分子の挙動を理解し、最終的にドラッグデザインを合理化するための厳密なプラットフォームが生まれました。共鳴二光子イオン化技術は、電子（およびIR）スペクトルが数度ケルビンまで冷却された分子について測定されることを可能にします。これにより、分子の配座異性体に関して解釈することができる美しくシンプルなスペクトルが得られます。この技術は、特定のイオンがそれらの到着時間に基づいて選択される飛行時間型質量分析計に依存しています。Figure4は、オーストラリアのメルボルンにあるLatrobe大学で開発されたREMPI MSシステムを示しています。この機器は、データ収集、表示、および分析にSpectrum製 250 MS/s、14ビットPCIe A/Dボード（M3i.4121-exp）を使用しています。Figure5は、機器設定ウィンドウのスクリーンショットとスペクトル実行中の結果を示しています。A/Dボード制御とデータ解析は、LabVIEWを使用して開発されたカスタムプログラムを使用して実行されます。
まとめ：
質量分析の分野は、解像度と感度がこれまで以上に向上した機器が設計・製造されることで発展し続けています。最新のデジタイザ (A/Dボード)は、より良い時間分解能（高サンプリングレート）とより優れた垂直ダイナミックレンジ（高分解能）で電気信号を集録する機能を提供しているため、この発展のキーとなる役割を果たしています。さらに、最新のデジタイザ (A/Dボード)が以前の機種の約30倍の速度でデータを転送できるため、PCでより多くの処理を実行できます。この新しい機能により取得時間の制限が緩和され、製品の簡素化が容易になるだけでなくコストと複雑さも軽減されるため、デジタイザ (A/Dボード)をより多くの質量分析アプリケーションで使用できるようになります。
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原文ドキュメント：Spectrum Instrumentation社
an_mass_spectroscopy.pdf
Mass Spectrometry and the Modern Digitizer
関連製品
M4i.2234-x8：5GHz/2.5GHz/1.25GHz A/Dボード (PCIe)
M4x.2234-x4：5GHz/2.5GHz/1.25GHz 高速A/D ボード (PXIe)
Spectrum Instrumentation社について
Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。同社は最も一般的な業界標準（PCIe、LXI、PXIe）で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。