レーザー脱離イオン化法
【課題】本願発明の課題は、マトリックスを添加せずに、ソフトレーザーイオン化を実現することである。
【解決手段】ｎ−型シリコン基板に幾何学的に対象な２方向からナノ秒パルスレーザーを同時に照射して、光の干渉を生じさせ、該基板表面にサブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的溝構造を形成し、該表面上に、表面修飾分子を吸着させる。この微細溝構造基板に、試料を設置し、レーザーを照射することにより該試料のイオン化を行い、質量分析を行う。
【解決手段】ｎ−型シリコン基板に幾何学的に対象な２方向からナノ秒パルスレーザーを同時に照射して、光の干渉を生じさせ、該基板表面にサブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的溝構造を形成し、該表面上に、表面修飾分子を吸着させる。この微細溝構造基板に、試料を設置し、レーザーを照射することにより該試料のイオン化を行い、質量分析を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、シリコン基板上に試料を設置し、該試料にレーザー光を照射することにより試料をイオン化するレーザー脱離イオン化法（ＤＩＯＳ：Desorption / Ionisation on Silicon）に関する。ＤＩＯＳ法は、生体関連物質や熱に不安定な物質の分子イオン測定に非常に有効であり、ソフトレーザーイオン化法の一種である。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体試料の分子イオン測定には、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）が汎用されている。しかし、低分子量領域のマトリックス分子由来のノイズ検出や、マトリックスと試料の混晶の作製が煩雑である等、マトリックスに由来する多くの問題が存在していた。
【０００３】
そこで、マトリックスフリーのソフトイオン化法であるＤＩＯＳ法が非常に注目されている（下記非特許文献１参照）。しかしながら、ＤＩＯＳ法においても、多孔質化されたシリコン表面の細孔は、マトリックスとしての役割を担うと考えられているが、表面が不均一で再現性に乏しいため、イオン化機構の正確な議論は、困難である。
【０００４】
また、シリコン表面特性の安定化のために表面を修飾する必要があるが、表面修飾分子は、修飾と同時にイオンドナーとしての役割も持つため、そのイオン化機構をさらに複雑にさせている。
【非特許文献１】Journal of theMass Spectrometry Society of Japan, Vol.52, No.1 pp 33〜36
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の課題は、マトリックス非添加で、ソフトレーザーイオン化を実現する手法の開発である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、シリコン基板のナノ表面粗さを制御する手段として、ナノ秒パルスレーザーを幾何学的に対象な２方向から同時に照射する２光束干渉を利用して、ｎ−型シリコン基板に、サブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的な溝構造を形成し、さらに、この基板に、表面修飾分子として、ウンデシレン酸（10-undecylenoic acid）を吸着させることにより行なうものである。
【発明の効果】
【０００７】
シリコン表面がフラットな状態のものよりも、サブミクロンオーダの溝構造としたものの方が、シリコン表面上の試料へのエネルギ移動が大きく、イオン化率が高い。さらに、修飾分子を使用すると、より高効率なイオン化率が得られるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本願発明を実施するための最良の形態を示す。
【実施例１】
【０００９】
まず、サブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的な溝構造を形成するための装置の概要を説明する。
図１に示すように、ソフトイオン化用基板としてｎ―型シリコン基板を用意し、ナノ秒パルスレーザーを幾何学的に対称に２方向から同時に照射する。これにより２光束干渉が生じ、サブミクロンオーダの周期的溝構造が作製される。レーザーは、ＹＡＧレーザーであり、波長はＮｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波（２６６ｎｍ）又は３倍波（３５５ｎｍ）であり、パルス幅は、８ｎｓである。
【００１０】
図２に、作製した基板表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、ＪＥＯＬ製）を用いて観察した結果を示す。周期構造作製において、ナノ秒パルスレーザーをアブレーション光源として用いているため、過剰なフルエンス（数Ｊ／ｃｍ２）におけるレーザー照射条件においては、熱の寄与が大きく、作製されたパターンが熱融解により歪んでいた。アブレーション閾値よりわずかに大きなフルエンス（数１００ｍＪ／ｃｍ２）においては、精度の高いパターンが形成された。溝の間隔は、２光波の入射角度及び入射レーザー波長により制御し、溝の深さは、入射パルス数で制御した。図２の例においては、入射角度を１６度、光源の波長を３５５ｎｍとすることにより、溝の幅が３００ｎｍ、深さ２０〜３０ｎｍの微細溝構造が得られた。
【００１１】
この微細溝の形成された基板に表面修飾分子として、ウンデシレン酸（10-undecylenoic acid）を１２０℃の溶液中において吸着させた。
【００１２】
上記修飾された基板に、試料として、N−Acetyl chitotetraose（ＭＷ：８３０．８０）を１００μg／ml（水：Methanol＝１：１）に溶かしたものを塗布した。
【００１３】
質量分析は、図３に示されるリニア型飛行時間型質量分析計により行った。試料に照射するレーザーとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー４倍波（２６６ｎｍ）、繰り返し周波数は、１０Ｈｚ、パルス幅は、８ｎｓである。飛行管の長さは、４００ｍｍ、検出器は、二次電子増倍管、イオン電流計測は、オシロスコープで５１２回積算して行った。
【００１４】
その結果を図４に示す。図４においては、分子の積層数が数層の場合と、数１０層の場合（試料の量を４倍に変えたもの）を並べて示してある。試料の量が少なくなり、基板の凹凸と比較できる程度になると、フラグメントイオンピークがより顕著に現れている。
【００１５】
上記微細構造の基板と比較するために、フラット基板に同様の試料を用いて質量分析を行った結果を図５に示す。図に見られるように、フラット基板においては、分子の積層数が数１０層の場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークもほとんど見分けることができない。試料の量をさらに４倍程度多くして、分子の積層数が約１００層程度になると、分子のイオンピークが現れる程度である。
【００１６】
次に、微細溝構造の基板表面を修飾した場合と修飾しない場合とを比較するとその結果は、図６のとおりである。表面を修飾しない場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークも雑音レベルに比べてあまり大きくないが、表面を修飾した場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークも雑音レベルに比べてきわめて大きく、きわめて感度の良い結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本願発明に係る微細溝構造を作製する光学系の概略説明図
【図２】本願発明にかかる微細溝構造の原子間力顕微鏡写真
【図３】リニア型飛行時間型質量分析計の概略図
【図４】本願発明に係る微細溝構造基板における質量分析結果
【図５】フラット基板における質量分析結果
【図６】本願発明に係る微細溝構造基板において、修飾した基板の質量分析結果
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、シリコン基板上に試料を設置し、該試料にレーザー光を照射することにより試料をイオン化するレーザー脱離イオン化法（ＤＩＯＳ：Desorption / Ionisation on Silicon）に関する。ＤＩＯＳ法は、生体関連物質や熱に不安定な物質の分子イオン測定に非常に有効であり、ソフトレーザーイオン化法の一種である。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体試料の分子イオン測定には、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）が汎用されている。しかし、低分子量領域のマトリックス分子由来のノイズ検出や、マトリックスと試料の混晶の作製が煩雑である等、マトリックスに由来する多くの問題が存在していた。
【０００３】
そこで、マトリックスフリーのソフトイオン化法であるＤＩＯＳ法が非常に注目されている（下記非特許文献１参照）。しかしながら、ＤＩＯＳ法においても、多孔質化されたシリコン表面の細孔は、マトリックスとしての役割を担うと考えられているが、表面が不均一で再現性に乏しいため、イオン化機構の正確な議論は、困難である。
【０００４】
また、シリコン表面特性の安定化のために表面を修飾する必要があるが、表面修飾分子は、修飾と同時にイオンドナーとしての役割も持つため、そのイオン化機構をさらに複雑にさせている。
【非特許文献１】Journal of theMass Spectrometry Society of Japan, Vol.52, No.1 pp 33〜36
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の課題は、マトリックス非添加で、ソフトレーザーイオン化を実現する手法の開発である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、シリコン基板のナノ表面粗さを制御する手段として、ナノ秒パルスレーザーを幾何学的に対象な２方向から同時に照射する２光束干渉を利用して、ｎ−型シリコン基板に、サブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的な溝構造を形成し、さらに、この基板に、表面修飾分子として、ウンデシレン酸（10-undecylenoic acid）を吸着させることにより行なうものである。
【発明の効果】
【０００７】
シリコン表面がフラットな状態のものよりも、サブミクロンオーダの溝構造としたものの方が、シリコン表面上の試料へのエネルギ移動が大きく、イオン化率が高い。さらに、修飾分子を使用すると、より高効率なイオン化率が得られるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本願発明を実施するための最良の形態を示す。
【実施例１】
【０００９】
まず、サブミクロンオーダ（１００ｎｍ〜１μｍ）の周期的な溝構造を形成するための装置の概要を説明する。
図１に示すように、ソフトイオン化用基板としてｎ―型シリコン基板を用意し、ナノ秒パルスレーザーを幾何学的に対称に２方向から同時に照射する。これにより２光束干渉が生じ、サブミクロンオーダの周期的溝構造が作製される。レーザーは、ＹＡＧレーザーであり、波長はＮｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波（２６６ｎｍ）又は３倍波（３５５ｎｍ）であり、パルス幅は、８ｎｓである。
【００１０】
図２に、作製した基板表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、ＪＥＯＬ製）を用いて観察した結果を示す。周期構造作製において、ナノ秒パルスレーザーをアブレーション光源として用いているため、過剰なフルエンス（数Ｊ／ｃｍ２）におけるレーザー照射条件においては、熱の寄与が大きく、作製されたパターンが熱融解により歪んでいた。アブレーション閾値よりわずかに大きなフルエンス（数１００ｍＪ／ｃｍ２）においては、精度の高いパターンが形成された。溝の間隔は、２光波の入射角度及び入射レーザー波長により制御し、溝の深さは、入射パルス数で制御した。図２の例においては、入射角度を１６度、光源の波長を３５５ｎｍとすることにより、溝の幅が３００ｎｍ、深さ２０〜３０ｎｍの微細溝構造が得られた。
【００１１】
この微細溝の形成された基板に表面修飾分子として、ウンデシレン酸（10-undecylenoic acid）を１２０℃の溶液中において吸着させた。
【００１２】
上記修飾された基板に、試料として、N−Acetyl chitotetraose（ＭＷ：８３０．８０）を１００μg／ml（水：Methanol＝１：１）に溶かしたものを塗布した。
【００１３】
質量分析は、図３に示されるリニア型飛行時間型質量分析計により行った。試料に照射するレーザーとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー４倍波（２６６ｎｍ）、繰り返し周波数は、１０Ｈｚ、パルス幅は、８ｎｓである。飛行管の長さは、４００ｍｍ、検出器は、二次電子増倍管、イオン電流計測は、オシロスコープで５１２回積算して行った。
【００１４】
その結果を図４に示す。図４においては、分子の積層数が数層の場合と、数１０層の場合（試料の量を４倍に変えたもの）を並べて示してある。試料の量が少なくなり、基板の凹凸と比較できる程度になると、フラグメントイオンピークがより顕著に現れている。
【００１５】
上記微細構造の基板と比較するために、フラット基板に同様の試料を用いて質量分析を行った結果を図５に示す。図に見られるように、フラット基板においては、分子の積層数が数１０層の場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークもほとんど見分けることができない。試料の量をさらに４倍程度多くして、分子の積層数が約１００層程度になると、分子のイオンピークが現れる程度である。
【００１６】
次に、微細溝構造の基板表面を修飾した場合と修飾しない場合とを比較するとその結果は、図６のとおりである。表面を修飾しない場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークも雑音レベルに比べてあまり大きくないが、表面を修飾した場合には、フラグメントイオンピークも分子のイオンピークも雑音レベルに比べてきわめて大きく、きわめて感度の良い結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本願発明に係る微細溝構造を作製する光学系の概略説明図
【図２】本願発明にかかる微細溝構造の原子間力顕微鏡写真
【図３】リニア型飛行時間型質量分析計の概略図
【図４】本願発明に係る微細溝構造基板における質量分析結果
【図５】フラット基板における質量分析結果
【図６】本願発明に係る微細溝構造基板において、修飾した基板の質量分析結果
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー脱離イオン化法において、シリコン基板表面に規則的で微細な溝構造を形成し、該構造の上に試料を設置し、該試料にレーザー光を照射することにより該試料をイオン化することを特徴とするレーザー脱離イオン化法。
【請求項２】
上記微細構造における規則性の度合いは、１００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とするレーザー脱離イオン化法。
【請求項３】
質量分析方法であって、上記請求項１に記載のイオン化方法を用いて試料の質量分析を行うことを特徴とする質量分析方法。
【請求項４】
請求項１に記載されている試料のレーザー脱離イオン化法において用いられる上記基板は、ナノ秒パルスレーザーを用いて、光の干渉を利用することにより周期構造が作製されていることを特徴とする基板。
【請求項５】
上記パルスレーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波又は３倍波であることを特徴とする請求項４に記載の基板。
【請求項６】
上記基板は、その表面が修飾されていることを特徴とする請求項４に記載の基板。
【請求項７】
上記表面の修飾は、ウンデシレン酸を該表面に吸着させたものであることを特徴とする請求項６に記載の基板。
【請求項１】
レーザー脱離イオン化法において、シリコン基板表面に規則的で微細な溝構造を形成し、該構造の上に試料を設置し、該試料にレーザー光を照射することにより該試料をイオン化することを特徴とするレーザー脱離イオン化法。
【請求項２】
上記微細構造における規則性の度合いは、１００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とするレーザー脱離イオン化法。
【請求項３】
質量分析方法であって、上記請求項１に記載のイオン化方法を用いて試料の質量分析を行うことを特徴とする質量分析方法。
【請求項４】
請求項１に記載されている試料のレーザー脱離イオン化法において用いられる上記基板は、ナノ秒パルスレーザーを用いて、光の干渉を利用することにより周期構造が作製されていることを特徴とする基板。
【請求項５】
上記パルスレーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍波又は３倍波であることを特徴とする請求項４に記載の基板。
【請求項６】
上記基板は、その表面が修飾されていることを特徴とする請求項４に記載の基板。
【請求項７】
上記表面の修飾は、ウンデシレン酸を該表面に吸着させたものであることを特徴とする請求項６に記載の基板。
【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２００７−２２５３９４（Ｐ２００７−２２５３９４Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４５６９１（Ｐ２００６−４５６９１）
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年９月１５日、日本分析化学会第５４会において発表
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年９月１５日、日本分析化学会第５４会において発表
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
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