PXI​ハードウェア​と​NI LabVIEW​を​用​い​て、​質量​分析​システム​用​に、​柔軟性​に​優​れ​た​統合​型​の​制御​ソリューション​を​構築

Ryan Danell, Danell Consulting

"当​ソリューション​は、​イオン​トラップ​質量​分析​器​で​必要​と​さ​れる​で​あ​ろう、​ありとあらゆる​実験​構成​に​対応​できる​よう​に​な​って​い​ます。​性能・​機能​ともに、​市場​で​手​に​入る​商用​計測​器​以上​の​もの​と​な​って​い​ます。​NI PXI​ハードウェア​と​LabVIEW​ソフトウェア​は​カスタマイズ​性​に​も​優​れ​て​いる​ため、​今後​実験​ニーズ​の​変化​に​伴​って、​都度​システム​を​拡張​する​こと​が​でき​ます。"

- Ryan Danell, Danell Consulting

課題:

複雑​度・​難易度​ともに​ばらつき​の​ある​多様​な​実験​に​対応​できる、​研究​用​の​イオン​トラップ​質量​分析​システム​向け​に、​エンドツーエンド​の​制御・​集録・​解析​システム​を​構築​する。

ソリューション:

NI LabVIEW​ソフトウェア​と​NI​の​多様​な​データ​集録​(DAQ)​ハードウェア​を​使用​し​て、​モジュール式でカスタマイズ性に優れた、​高性能​な​一体​型​ソリューション​を​構築​し、​時間​刻み​の​分解能​を​選べる​よう​に​する​こと​で、​時間​に​幅​の​ある​実験​に​も​対応​できる​よう​に​する。

Danell Consulting​社​は、​科学​コンサルティング​を​専門​と​した​会社​で、​特に​計測​制御、​データ​解析、​および​シミュレーション​を​得意​分野​として​い​ます。​当社​が​最も​重点​を​置​い​て​いる​の​は​質量​分析​です。​世界​各地​の​研究所​で​大量​の​データ​が​収集​さ​れ​てい​ます​が、​そうした​データ​を​マイニング​する​の​に​役立つ、​カスタム​ハードウェア、​ソフトウェア、​および​データ​解析​アルゴリズム​を​提供​し​てい​ます。​商用​の​質量​分析​システム​は​多数​出​回​って​い​ます​が、​研究者​が​必要​と​する​の​は​大抵​カスタマイズ​さ​れ​た​システム​です。​当社​は、​ハーバード​大学​と​ジョ​ンズ・​ホプキンス​大学​における​ハードウェア​および​ソフトウェア​の​設計​プロジェクト​によって、​イオン​トラップ​質量​分析​システム​の​ため​の、​機能​豊富​で​柔軟性​に​優​れ​た​ソフトウェア/​ハードウェア​ベース​制御​アーキテクチャ​を​開発​しま​した。​この​プラットフォーム​は、​気​相​における​生物​学的​種群​および​無​機種​群​の​調査​と、​火星​探査​機​に​欠​か​せ​ない​計測​器​と​なる​質量​分析​器​の​制御​および​テスト​に​使用​さ​れ​て​き​ま​した。

 

イオン​トラップ​質量​分析

イオン​トラップ​質量​分析​では、​電界​を​使用​し​て​真空​中​の​イオン化​分子​を​捕捉​し​ます。​形状​を​変更​した​電極​に​RF​電圧​を​加​えて​電界​を​作り​ます。​閉​じ​込​め​ら​れ​た​イオン​は、​電極​に​その他​の​RF​および​DC​ポテンシャル​を​加える​こと​によって、​さらに​操作​する​こと​が​でき​ます。​閉​じ​込​め​ら​れ​た​イオン​を​制御​および​操作​する​こと​で、​化学​研究​において​イオン​トラップ​を​様々​な​目的​の​ため​に​使用​できる​よう​に​なり​ます。​イオン​の​質量​を​決定​する​に​は、​トラップ​室​から​出る​イオン​を​順次​スキャン​し、​電子​増​倍​管​で​検出​し​ます。​増倍管の出力は増幅され、​電圧に変換され、​コンピュータに接続された​ADC​で​デジタル​化​さ​れ​ます。​イオン​トラップ​質量​分析​器​の​制御​に​は、​イオン​源​を​制御​する​様々​な​RF​および​DC​ポテンシャル​の​操作​も​必要​に​なり​ます。​このように​し​て、​イオン​を​生成​し、​トラップ​室​に​移動​し​ます。​イオン​トラップ​実験​が​行​われ​てい​く​につれ、​複雑​な​一連​の​電極​電位​と​データ​収集​イベント​は​正確​に​同期​さ​せ​ながら​制御​する​必要​が​出​て​き​ます。

 

モジュール​式​PXI​ハードウェア​の​メリット

商用​計測​器​は​通常​専用​の​電子​機器​を​使用​し​て、​必要​な​信号​と​入力​を​供給​し​て​計測​器​を​制御​し​ます​が、​イオン​トラップ​を​制御​する​に​は​スタンドアロン​型​ハードウェア​を​使用​する​こと​が​でき​ます。​研究所​レベル​の​電源、​波形​発生​器、​および​スコープ​を​アンプ、​遅延​発生​器、​その他の小型カスタム回路を接続すれば、​制御​システム​を​作成​する​こと​が​でき​ます。​こうした​ソリューション​では、​同期​を​行う​ため​に​個々​の​コンポーネント​の​大幅​な​変更​が​必要​ですが、​いまだ​研究者​は​実行​する​実験​の​タイプ​に関して​大​きく​制限​さ​れ​て​いる​場合​が​あり​ます。​1​つ​の​シャー​シ​(あるいは​接続​さ​れ​た​複数​の​シャー​シ)​に​組み​込​まれ​た​PXI​ハードウェア​は、​スタンドアロン​型​ハードウェア​の​あらゆる​制限​を​緩和​し、​幅広い​接続​および​同期​オプション​を​可能​にし​ます。​接続​の​配線​を​し​直し​たり、​個別​の​コンポーネント​を​設定​する​こと​なく、​ソフトウェア​を​使用​し​て​簡単​に​ハードウェア​構成​を​変更​でき​ます。​さらに​PXI​モジュールを導入すれば、​システム​に​機能​を​簡単​に​追加​する​こと​が​でき​ます。​こう​い​っ​た​特長​は、​この​プロジェクト​で​既に​何​度​も​利用​し​てい​ます。​現在​の​システム​は、​アナログ​出力​(レンズ​制御)、​デジタル​出力​(トリガ)、​アナログ​入力​(イオン​信号)​用​マルチ​ファンクション​データ​集録​モジュール、​専用​アナログ​出力​PXI​モジュール、​および​任意​波形​発生​器​PXI​モジュール​を​使用​し​てい​ます。

 

 

ある​構成​例​では、​NI PXI-6229マルチ​ファンクション​DAQ​モジュール​を​イオン​信号​の​アナログ​入力、​システム​トリガ​の​デジタル​出力、​および​アナログ​出力​として​使用​し​て​レンズ​の​電源​を​制御​し、​NI PXI-6723アナログ​出力​モジュール​を​追加​の​相関​アナログ​出力​として​使用​し​て​残り​の​電源​を​制御​し​てい​ます。​また、​同期​させる​2​台​の​NI PXI-5412任意​波形​発生​器​の​うち、​1​台​は​イオン​を​閉じ込める​の​に​使用​する​基本​的​な​RF​信号​を​供給​し、​もう​1​台​は​閉​じ​込​め​た​イオン​を​操作​する​の​に​使用​する​特殊​な​波形​を​生成​し​ます。

 

PXI​アーキテクチャ​では、​2​つ​の​波形​を​位相​ロック​および​位相​シフト​する​機能​を​簡単​に​実装​でき​ま​した。​位相​制御​は​高性能​な​イオン​トラップ​操作​に​は​欠​か​せ​ま​せん。​同一​の​PXI​クロック​で​実行​し、​PXI​バックプレーンを使用して同期させた​2​台​の​波形​発生​器​を​使用​する​こと​で、​数個​の​簡単​な​ソフトウェア​ルーチン​によって、​これらの​信号​の​位相​関係​を​制御​できる​よう​に​なり​ます。​通常、​これ​と​同様​の​タスク​を​行う​に​は、​高度​な​スタンドアロン​型​装置、​および/​または​追加​の​遅延​発生​器​が​必要​です。

 

ソフトウェア​による​統合​および​同期

当社​の​制御​ソフトウェア​の​開発​に​は、​DAQ​ハードウェア​と​NI LabVIEWの​組み合わせ​が​うってつけ​で​した。​NI LabVIEW​が​持つ​機能​を​多数​使用​する​こと​で、​高​品質​の​制御​アプリケーション​を​効率​良く​作成​でき、​そのうえ、​実験​の​変更​が​必要​な​場合​に​は​アプリケーション​を​変更​する​こと​も​でき​ま​した。​実験​装置​の​制御​機能​の​他​に​も、​データ​解析/​処理​機能​を​作成​し​て、​ユーザ​が​収集​した​データ​を​容易​に​解釈​できる​よう​に​しま​した。​UI​設計​で​ダイアログ​制御​器​を​独占​的​に​使用​する​こと​で、​洗練され、​プロ​仕様​な​うえ​に、​使い方​が​すぐ​覚え​られる​よう​な、​使い​やすい​インタフェース​が​完成​しま​した。

 

 

前述​の​とおり、​イオン​トラップ​質量​分析​器​は、​実験​装置​全体​の​操作​を​指示​する​イベント​の​正確​な​タイミング​に​依存​し​てい​ます。​実験​装置​の​様々​な​個所​で、​計測​時間​の​範囲​にわたって​異なる​分解能​が​必要​と​さ​れ​ます。​高速​(数​十​ミリ​秒​単位)​で​実行​する​必要​の​ある​実験​も​あれ​ば、​もっと​長​く​か​かって​も​よい​(数​十秒​単位)​実験​も​あり​ます。​実験​中​に​ボード​を​再​構成​し​て​時間​分解能​を​変更​できる​よう​に、​ハードウェア​を​セットアップ​し​て​ソフトウェア​を​作成​し、​DAQ​モジュール​の​機能​の​メリット​を​フル​活用​し​ながら​も、​使用​する​システム​リソース​は​最低限​に​抑える​こと​が​でき​ま​した。​NI LabVIEW​が​オブジェクト​指向​プログラミング​に​対応​し​て​いる​ため、​高度​な​機能​を​効率​良く​システム​に​追加​する​こと​も​でき​ます。​たとえば、​実験​装置​の​実行​中​に​個別​箇所​を​再​構成​し​て、​これらの​特定​の​出力​および/​または​波形​を​即座​に​アップデート​し​て、​次​の​質量​スキャン​に​適用​させる​こと​が​でき​ます。

 

結果

当社​は​複数​の​異なる​計測​器​に​この​ハードウェア/​ソフトウェア​アーキテクチャ​を​採用​し、​あらゆる​タイプ​の​実験​と​構成​に​対応​してき​ま​した。​この​アーキテクチャ​によって、​繰り返し​率​の​高い​実験​装置​で、​データ​を​ディスク​へ​書き込み​ながら、​繰り返し​の​間​に​生じる​不​感​時間​を​わずか​数​ミリ​秒​に​抑え​ま​した。​非常​に​複雑​な​実験​装置​も、​複数​の​波形​アプリケーション​ステップ​を​使用​し​て​簡単​に​セットアップ​し、​高度​な​イオン​の​制御/​操作​を​実現​する​こと​が​でき​ま​した。

 

当​ソリューション​は、​イオン​トラップ​質量​分析​器​で​必要​と​さ​れる​で​あ​ろう、​ありとあらゆる​実験​構成​に​対応​できる​よう​に​な​って​い​ます。​性能・​機能​ともに、​市場​で​手​に​入る​商用​計測​器​以上​の​もの​と​な​って​い​ます。​NI PXI​ハードウェア​と​LabVIEW​ソフトウェア​は​カスタマイズ​性​に​も​優​れ​て​いる​ため、​今後​実験​ニーズ​の​変化​に​伴​って、​都度​システム​を​拡張​する​こと​が​でき​ます。

 

著者​情報:

Ryan Danell
Danell Consulting
​United States
​Tel: (252) 258-7569
rdanell@danellconsulting.com

図​1. ​ ​ソフトウェア​の​データ​集録​部分​の​UI ​
図​2. ​ ​サンプル​信号​を​示す​基本​的​な​イオン​トラップ​の​実験​順序 ​
図​3. ​ ハードウェア​の​セットアップ​と​相互​接続​を​表​した​ブロック​ダイ​ア​グラム ​
図​4. ​ ​レーザー​脱​離​イオン化​法​で​イオン化​さ​れ​た​多​環​芳香族​炭化​水素​(PAHs)​の​質量​分析 ​