二極性質量分析計

二極性質量分析計は、イオン源と、陰イオン質量分析計と、陽イオン質量分析計とを備え、試料の陰及び陽イオンスペクトル双方を同時に測定する。イオン源は試料が配置される供試面を備え、試料は、レーザ光又はエネルギ粒子流によって励起されると、陽イオン及び陰イオンを提供する。第1抽出電極は、供試面より高い電圧に接続され、試料電極から陰イオンを引きつける。第2抽出電極は、供試面より低い電圧に接続され、試料電極から陽イオンを引きつける。陰及び陽イオンは、それぞれ陰イオン質量分析計及び陽イオン質量分析計によって同時に分析される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本説明は、二極性質量分析計に関する。
【背景技術】
【0002】
質量分析計は、固体、気体、又は液体の試料を構成している含有成分を同定及び定量するために用いられる。質量分析計は、イオンの質量(m)対電荷(z)比を用いて、イオンを分離して分析することができる。一例において、飛行時間型質量分析計には、陽イオン(カチオン)又は陰イオン(アニオン)のいずれかを加速させるための電界を発生させ、それらを飛行管の一端へ向けて案内する電極を有する加速領域が含まれる。イオンは重いほど、飛行管中をより低速で進み、より軽いイオンは、より高速で進む。イオンは、飛行管の他端でセンサによって検出される。m/z比は、イオンが飛行管の長さを進むのに要する時間長に基づき導出される。
【0003】
一般的に、正に帯電した粒子と負に帯電した粒子との双方が、イオン化プロセス時に試料から発生する。単極性質量分析計は、与えられた時間に、陽イオン及び陰イオンの両方ではなく、いずれか一方を測定するように構成される。そのような測定では、試料の情報の全てを捕捉することはできず、イオンの種類や量に関する一部の情報が失われることがある。二極性質量分析計は、陽及び陰イオン双方を同時に測定可能である。二極性質量分析計の一例は、ノズル及びスキマーを通して粒子を加速し、輪郭がはっきりした粒子ビームを発生させることによって、エアロゾル粒子の大きさ及び化学組成を決定するエアロゾル飛行時間型質量分析計である。粒子は、イオン化位置に達するまで電気的に中性なまま維持されるが、イオン化位置に達すると、中性粒子は、レーザによって照射され、正や負に帯電した小分子を発生させる。これらの帯電した分子は、それぞれ陽及び陰イオンを分析するための2つの飛行管を有する二極性飛行時間型質量分析計によって分析される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、安定した(stationary)試料から発生した陰イオン及び陽イオンの質量スペクトルを同時に決定するための二極性質量分析計に関する。試料は、イオン源電極の表面に配置され得る。イオン源電極及び抽出電極は、陽及び陰イオンが、試料から発生した後、試料から抽出されるとともに、陰及び陽イオンをそれぞれ陰質量分析計及び陽イオン質量分析計へ向けて加速させる加速段へ向けて案内されるように、電界を発生させる。
【0005】
この二極性質量分析計は、例えば、塩、合金、半導体材料、半導体チップ、粒子、化学物質、生体分子、生理分泌液、生物組織、皮膚、金属、及びプラズマが含まれる試料を分析するために用いられ得る。試料は、イオン化される前は、安定していてよい。この二極性質量分析計は、単に試料の表面層を抽出して、陽及び陰イオンを発生させることによって、試料の表面特性を分析し得る。この二極性質量分析計は、更に、表面層の真下にある試料のより深い部分を分析し得る。この二極性質量分析計に用いられる試料は、数ミリメートル又はそれ以上の寸法を有し得る。
【課題を解決するための手段】
【0006】
一態様において、一般的に、装置は、イオン源電極、第1抽出電極、及び第2抽出電極を備える。イオン源電極は、試料が配置される供試面を備え、試料は、レーザ光又はエネルギ粒子流によって励起されると、陽イオン及び陰イオンを提供する。第1抽出電極は、供試面より高い電圧に接続され、供試面から陰イオンを引きつける。第1抽出電極は、陰
イオンを通過させる開口部を有する。第2抽出電極は、供試面より低い電圧に接続され、供試面から陽イオンを引きつける。第2抽出電極は、陽イオンを通過させる開口部を有する。第1及び第2抽出電極は、イオン源電極の対向する側に配置される。
【0007】
この方法の具体例は、以下の特徴のうちの1つ以上を含み得る。イオン源電極は、第1壁及び第2壁を備え、第1壁は、陰イオンを通過させる第1開口部を有するとともに、供試面と第1抽出電極との間に配置され、第2壁は、陽イオンを通過させる第2開口部を有するとともに、供試面と第2抽出電極との間に配置され得る。供試面、第1壁、及び第2壁は、同じ電圧を有し得る。本装置は、第1抽出電極の開口部を通過する陰イオンを分析するための第1質量分析計と、第2抽出電極の開口部を通過する陽イオンを分析するための第2質量分析計とを備え得る。第1質量分析計は、飛行時間型質量分析計、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、及び運動量分析計のうちの少なくとも1つを含み得る。第1質量分析計は、シンチレーション検出器、マイクロチャネルプレート検出器、電子増倍管、及び電流検出器のうちの少なくとも1つを含む、第1検出器を含み得る。第1及び第2壁は、試料を通る平面を基準にして対称であってよい。第1及び第2抽出電極は、試料を通る平面を基準にして対称であってよい。第1及び第2壁の各開口部は、長尺状の形状を有し得る。第1及び第2壁の各開口部は、矩形形状を有し得る。本装置は、試料から放出された中性粒子をイオン化し分析するための第3質量分析計を備え得る。
【0008】
別の態様において、一般的に、装置は、陽イオン及び陰イオンの進行方向を変更し、また、陽及び陰イオンを加速させるための電極を備える。これらの電極は、複数の電圧に接続された面を有し、これらの面は、電界を発生させて、第1飛跡調整段、第1加速段、第2飛跡調整段、及び第2加速段を形成する。第1飛跡調整段の電界は、陰イオンの進行方向を変え、陰イオンを第1加速段へ向けて進ませる。第1加速段の電界は、陰イオンを加速させる。第2飛跡調整段の電界は、陽イオンの進行方向を変え、陽イオンを第2加速段へ向けて進ませる。第2加速段の電界は、陽イオンを加速させる。
【0009】
本方法の具体例は、以下の特徴のうちの1つ以上を含み得る。本装置は、陽及び陰イオンを発生させるためのイオン源を備え得る。イオン源は、レーザーアブレーションイオン源、マトリックス支援レーザ脱離/イオン化(MALDI)イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化(SELDI;surface−enhanced laser desorption ionization)イオン源、エレクトロスプレーイオン化(ESI)イオン源、電子衝撃(EI)イオン源、二次イオン源、高速原子衝撃(FAB)イオン源、及び化学イオン化(CI)イオン源のうちの少なくとも1つを含む。
【0010】
他の態様において、一般的に、二極性飛行時間型質量分析計は、陽イオン及び陰イオンを発生させる二極性イオン発生器と、陰イオンのビームを受け取るための第1飛行管と、第1飛行管中を進む陰イオンを検出するための第1イオン検出器と、陽イオンのビームを受け取るための第2飛行管と、第2飛行管中を進む陽イオンを検出するための第2イオン検出器とを備える。この二極性イオン発生器は、供試面から陽イオン及び陰イオンを発生させるためのイオン源と、陰イオンを案内し陰イオンのビームに集束させる電界を発生させるための電極とを備え、電界は、更に、陽イオンを案内して陽イオンのビームに集束させる。
【0011】
この方法の具体例は、以下の特徴のうちの1つ以上を含み得る。陰イオンを第1質量分析計へ向けて案内することは、第1壁によって画成された第1開口部に陰イオンを通すことを含み、陽イオンを第2質量分析計へ向けて案内することは、第2壁によって画成された第2開口部に陽イオンを通すことを含み得る。この方法は、供試面、第1壁、及び第2壁を同じ電圧に接続することを含み得る。この方法は、材料から放出された中性分子を分
析することを含み得る。この方法は、試料を通る平面を基準にして対称に第1及び第2抽出電極を配置することを含み得る。
【0012】
供試面は、第1及び第3電界の影響を受け易い位置に配置され得る。第1加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第1飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高くてよい。
【0013】
本発明の装置及び方法の利点には、以下のうちの1つ以上が含まれる。試料から発生した陽及び陰イオンは、双方共、極性切り替えのための時間遅延無しで同時に分析され、このため、質量分析計は、陽及び陰イオン双方を正確にリアルタイムで測定し得る。この特性のために、多くのサンプリング位置における両電荷極性の試料組成は、多くの実験事象において、疑いの余地無く決定され得る。物質の質量及び構造的な情報は、陽及び陰イオンのスペクトルの特徴を比較することによって得ることができる。従って、本発明の方法は、生物組織の分析等において、構成分子間の価値ある相関情報を明らかにし得る。本発明の質量分析計は、複雑な試料混合物を調べるために用いられ得る。本発明の質量分析計は、試料の分子のイオン化特性並びにMALDIに関わるイオン化反応を調査するために用いられ得る。本発明の装置及び方法は、表面上の凝縮相試料の分析に用いられ得る。例えば、生物組織試料が供試面に置かれ、この試料から発生した中性種、陰イオン、及び陽イオンが同時に分析され得る。更に、本発明の装置及び方法は、材料表面の成分の分析に用いられ得る。例えば、生物組織の成分又は半導体チップの選択部位の不純物は、陽及び陰イオン双方を同時に監視することによって分析され得る。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】二極性質量分析計を示す概略図。
【図2】二極性質量分析計を示す概略図。
【図3】二極性イオン発生器を示す概略図。
【図4】二極性イオン発生器を示す断面図。
【図5】電位場を示すグラフ。
【図6】二極性イオン発生器を示す断面図。
【図7】高電圧減結合器を示す回路図。
【図8】質量スペクトルを示す図。
【図9】質量スペクトルを示すグラフ。
【図10】カチオン、アニオン、及び中性粒子を分析可能な質量分析計を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
[システム概要]
図1において、二極性飛行時間型(DTOF)質量分析計(MS)100は、陰イオン106及び陽イオン110の質量スペクトルを同時に決定し得る。陰及び陽イオンは、例えば、マトリックス支援レーザ脱離/イオン化(MALDI)法を用いて、二極性イオン発生器102の供給電極の表面150上に配置された試料から発生され得る。陰及び陽イオンが発生すると、陰及び陽イオンは、それぞれ陰質量分析計104及び陽イオン質量分析計108へ向かって同時に抽出される。
【0016】
陰質量分析計104は、飛行管116と、飛行管116を進む陰イオン106を検出する陰イオン検出器120とを備える。陽質量分析計108は、飛行管118と、飛行管118を進む陽イオン110を検出する陽イオン検出器122とを備える。負及び陽質量分析計104,108は、イオン発生器102の対向する側に配置され、例えば、イオン発生器102を基準にして対称であってよい。検出器120,122のそれぞれの出力信号290,292は、陰及び陽イオンの質量スペクトルを記録する信号取り込み装置192
(例えば、デジタル蓄積型オシロスコープ又はコンピュータ)へ送られる。
【0017】
図2は、マトリックス支援レーザ脱離/イオン化(MALDI)イオン源112を用いて、陰及び陽イオン106,110を発生させる二極性飛行時間型質量分析計100の一例の概略図である。MALDI源112には、マトリックスに埋め込まれた試料146が含まれる。レーザ光源114は、試料146を照射して、陽及び陰イオン110,106を発生させるレーザ光124を発生させる。
【0018】
試料146は、例えば、塩、合金、半導体材料、半導体チップ、粒子、化学物質、生体分子、生理分泌液、生物組織、皮膚、金属、及び(荷電粒子で構成されたガスビームを含み得る)プラズマであってよい。質量分析計100は、レーザ光124が表面層だけを活性化して陽及び陰イオンを発生させるように構成することによって、試料146の表面特性を分析し得る。質量分析計100は、更に、レーザ光124が材料の層を連続的に剥離して、試料の内部を明らかにし、また、内部から陽及び陰イオンを発生させるように構成することによって、表面層の真下の試料のより深い部位を分析し得る。
【0019】
質量分析計100を用いた試料の分析には、エアロゾル飛行時間型質量分析計(ATOF MS)の場合のように、イオン化前に試料から小さい中性粒子を発生させる必要がない。エアロゾルTOF MSでは、中性粒子は、試料から導出され、経路に沿って加速され、飛行する粒子がイオン化位置に達すると、レーザ光によってイオン化される。従って、試料を極小片に分割せずに、エアロゾルTOF MSを用いてバルク試料の表面特性を分析することは困難な場合がある。これと比較して、質量分析計100に用いられる試料は、後述のイオン源電極に試料を収容できる限り、数ミリメートル又はそれ以上の寸法を有し得る。従って、質量分析計100を用いて、例えば、半導体チップ又は生物組織片の表面特性を調査することは、容易である。
【0020】
イオン発生器102は、イオン源電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bを備える。供給電極130は、試料146が置かれる供試面150を備える(図3及び4参照)。供給電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bは、逆方向に陰及び陽イオンを案内し加速させるための分布を有する電界であって、陰及び陽イオンをそれぞれ飛行管116,118へ向けて案内するための電界を発生させるように構成される。
【0021】
電界は、同様な質量対電荷比を有する粒子が、質量分析計にほぼ同じ速度で入射するように、陰及び陽イオン106,110をそれぞれ負及び陽質量分析計104,108へ向けて案内する。
【0022】
幾つかの例において、抽出電極126a,126bは、イオン源電極130の対向する側に配置され、イオン源電極130を基準にして対称である。同様に、抽出電極128a,128bは、イオン源電極130の対向する側に配置され、イオン源電極130を基準にして対称である。
【0023】
供給電極130及び抽出電極126a126b,128a,128bによって発生される5つの電界が存在する。第1電界は、3つの側面が供試面150及び壁160,162の内面によって囲まれた開放領域300に配置されている。第2電界は、供給電極130と抽出電極126aとの間に配置されている。第3電界は、供給電極130と抽出電極126bとの間に配置されている。第4電界は、抽出電極126a,128aの間に配置されている。第5電界は、抽出電極126b,128bの間に配置されている。第2及び第3電界は、供給電極130を基準にして第2及び第3電界の極性が反対であることを除き、イオン源電極130を基準にして対称である。同様に、第4及び第5電界は、供給電極
130を基準にして第4及び第5電界の極性が反対であることを除き、イオン源電極130を基準にして対称である。
【0024】
本説明では、x,y,z軸を有する直交座標系を用いて、質量分析計100の構成要素の方位を記述する。軸の原点は、試料146が配置されている供試面150(図4参照)の中心にある。z軸は、供試面150に垂直である。飛行管116,118の軸は、x軸に平行である。陰イオン106及び陽イオン110は、それぞれ飛行管116,118の−x,+x方向に伝わる。
【0025】
幾つかの例において、抽出電極126aは、イオン源電極130より高い電圧を有しており、この電圧は、陰イオン110を−x方向に加速させるための第1加速段166aを形成する電界を発生させる。抽出電極128aは、抽出電極126aよりわずかに低い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陰イオン106を集束させて、イオン106が、飛行管116の軸に平行な経路に沿って進むようにイオン106の飛跡を調整する。
【0026】
抽出電極126bは、イオン源電極130より低い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陽イオン110を+x方向へ向けて加速させるための第1加速段166bを形成する。抽出電極128bは、抽出電極126bよりわずかに高い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陽イオン110を集束させて、イオン110が、飛行管118の軸に平行な経路に沿って進むようにイオン110の飛跡を調整する。
【0027】
抽出電極126a,128aに印加された電圧並びに抽出電極126b,128bに印加された電圧は、イオン源電極130の電圧を基準にして反対の極性を有することを除き、イオン源電極130の電圧を基準にして対称である。これは、例えば、抽出電極126bの電圧がイオン源電極130より低い量と同じ量だけ、抽出電極126aの電圧が、イオン源電極130より高いことを意味する。
【0028】
陰イオン検出器120は、例えば、マイクロチャネルプレート検出器であってよい。同様に、陽イオン検出器122は、例えば、マイクロチャネルプレート検出器であってよい。負及び陽質量分析計104,108は、イオン発生器102の対向する側に配置される。負及び陽質量分析計104,108は、例えば、イオン発生器102を基準にして対称であってよい。イオン発生器102は、ソースチャンバ(図示せず)、例えば、飛行管116,118に結合するための開口部を有する六分割立方体チャンバに収容される。
【0029】
陽イオン検出器122の出力信号292は、データ取り込み装置192の第1チャネルによって測定される。陰イオン検出器120の出力信号290は、回路194を通して終端され、また、データ取り込み装置192の第2チャネルによって測定される。後述するように、回路194は、陰イオン検出器120に印加された高電圧によるデータ取り込み装置192の破壊防止のための電圧絶縁回路を含む。
【0030】
図3において、イオン源電極130は、供試面150及び壁160,162によって画成された開放領域300を含む。レーザ光124は、開放領域300を通って、供試面150に配置された試料146を照射する。壁160は、陰イオン106を通過させて抽出電極126aへ向けて進ませるための矩形スロット(開口部)154a(図3中には表示せず)を有する。壁162は、陽イオン110を通過させて抽出電極126bへ向けて進ませるための矩形スロット154bを有する。供試面150及び壁160,162は、電気的に接続され、全て同じ電位を有する。
【0031】
イオン源電極130及び抽出電極126a,128aは、陰イオン用の2つの加速段1
66a,168aを形成する。イオン源電極130及び抽出電極126b,128bは、陽イオン用の2つの加速段166b,168bを形成する。イオン源電極130及び抽出電極126a,128a,126b,128bは、例えば、互いに等間隔に離間したステンレス鋼の電気板であってよい。ステンレス鋼電気板の表面は、互いに平行であってよい。
【0032】
図4は、イオン発生器102並びに飛行管116,118の断面図である。飛行管116,118内の領域は、ほとんど無電界ドリフト領域である。抽出電極は、飛行管116,118の軸に平行な飛跡に沿ってイオンを案内する電位を発生させ、イオンが、飛行管長を進んだ後、イオン検出器120,122に達することを保証する。
【0033】
イオン発生器102の特徴は、脱離イオンが、供試面150からほぼ上(+z)方向に放出されることである。そして、イオンは、電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bによって発生した電界で案内される。陰イオンは、飛行管116の軸に平行な方向に集束及び案内される。陽イオンは、飛行管118の軸に平行な方向に集束及び案内される。
【0034】
イオン発生器102の他の特徴は、供試面150付近の矩形スロット154a,154bを用いることである。矩形スロット154a,154bは、それぞれ、イオン源電極130の表面160,162によって画成される。矩形開口部を用いる方が、円形の開口部又は(表面160,162の上部がない)広く開いた構造を用いるより良いが、その理由は、矩形開口部は、y軸に沿った歪みがあまり大きくない電界勾配を発生させるためである。イオン源電極130及び抽出電極126a,126bによって発生した電界は、それぞれ、飛行管118,116へ向けて飛跡に沿って陽及び陰イオンを案内し得るより良い形状を有する。
【0035】
y方向に長尺の開口部であって、この開口部が試料146付近に配置されると、電界が、試料146付近でy軸に沿ってほぼ一定になり得る。このことは、イオンを集束させる際並びに飛行管116,118へ向けてイオンを案内する際に役立つ。
【0036】
イオンが、試料146から脱離される場合、イオンの大部分が、最初、+z方向に沿って進み、そして、徐々に、x軸側(陰イオンが−x方向側、陽イオンが+x方向側)に曲がる。一例として、陽イオン110を用いて、イオン110が供試面150から放出される場合、イオン110は、最初、+z方向に進み、そして、電界勾配によって−z方向にわずかに引き戻される。陽イオン110矩形スロット154bを通過した後、陽イオン110は、第1及び第2加速領域166b,168bを進み、無電界飛行管118に入射する。
【0037】
矩形スロット154b及び円形の開口部156b,158bの構成は、適切な伝達効率を提供し、また、陽イオン110の大部分が、イオン源電極130及び抽出電極126b,128bの壁に当ることなく、飛行管118に達し得ることを意味する。第2抽出電極128bの電圧は、飛行管118及び第1抽出電極126bより高い。この構成は、開口部158b付近でイオン集束効果を生み出し、また、陽イオン110の伝達効率を、例えば、約2倍増大し得る。
【0038】
抽出電極126a,128a及び孔156a,158aの構成は、イオン源電極130を基準にして、それぞれ、抽出電極126b,128b及び孔156b,158bのミラー構成である。
【0039】
図5は、イオン源電極130内及び付近の電位のメッシュ図を示す。本例では、壁16
0,162は、同一電位を有することから、供試面150上方の領域174は、実質的に一定の電位を有する。イオン源電極130より高い電圧を有する抽出電極126aからの影響により、矩形スロット154a付近の電位は、領域174より高い。
【0040】
イオン源電極130及び抽出電極126a,126bは、陰及び陽イオンが供試面150から放出された後、それらイオンの飛跡を調整する特定の分布を有する電界を発生させる。この電界は、陰及び陽イオン106,110各々の飛跡調整段を形成する。例えば、陰及び陽イオン106,110は、供試面150から放出された時、最初、ほぼ+z方向に沿って進む。電界分布は、陰イオン106の飛跡を調整し、陰イオン106を矩形スロット154aへ向けてほぼ+z方向からほぼ−x方向に案内する。同様に、この電界分布は、陽イオン110の飛跡を調整し、陽イオン110を矩形スロット154bへ向けてほぼ+z方向からほぼ+x方向に案内する。
【0041】
陰及び陽イオン106,110が、供試面150からそれぞれ矩形スロット154a,154bに進む場合、陰及び陽イオン106,110の加速度は、加速段166a,166bのイオンの加速度と比較して、小さい。例えば、加速段166aにおける陰イオン106の平均運動エネルギは、飛跡調整段における陰イオン106の平均運動エネルギより(即ち、陰イオン106が供試面150から矩形スロット154aに進んでいる場合)、10倍、100倍、又は1000倍以上大きくてよい。
【0042】
供試面150及び壁160,162によって囲まれた領域内における電界は、陰イオン106の進行方向をほぼ+z方向からほぼ−x方向に変える。従って、ほぼ同じ質量対電荷比を有する陰イオン106は、矩形スロット154aを通過する際、実質的に同じ速度を有し、第1及び第2加速領域166a,168aにおいて実質的に同じ加速度を有し、そして、飛行管116に入射する際、実質的に同じ速度を有する。同様に、実質的に同一質量対電荷比を有する陽イオン110は、飛行管118に実質的に同じ速度で入射する。
【0043】
図6において、イオン源電極130には、更に、中心板170及び2つの隣接する板172a,172b等の別個の構成要素を含み得る。中心板170は、試料146が置かれる供試面150を有する。板172a,172bは、図4に示すものと同様な矩形スロット154a,154bをそれぞれ有する。中心板170及び隣接板172a,172bは、電気的に接続され、同じ電位を有する。
【0044】
[実験準備及び測定結果]
以下、実験を行うために用いた二極性飛行時間型質量分析計100の例について述べる。イオン源電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bは、各々、40mm×100mmの幅×長さを有し、互いに等間隔に6mmだけ離間されている。試料電極130は、厚さ6mmを有する。各抽出電極126a,126b,128a,128bは、厚さ3mmを有する。各矩形スロット154a,154bは、寸法26mm×3mmを有し、試料板の前側131から18mm離して配置されている。各円形開口部156a,156b,158a,158bは、直径5mmを有する。開口部156a,156bの中心は、+z方向においてx軸から1.5mm離間しており、開口部158a,158bの中心は、+z方向においてx軸から2.5mm離間している。
【0045】
各飛行管116,118は、内径32mm及び長さ1123mmを有し、それぞれ、抽出電極128b,128aから電気的に絶縁されている。ソースチャンバの圧力は、測定中、3×10−7ミリバールに維持した。飛行管116,118は、双方共、x軸に平行な中心軸であって、x軸から+z方向に2.5mmオフセットして位置合わせされた中心軸を有し、また、5×10−7ミリバール未満に差動排気する。マイクロチャネルプレート検出器120,122は、それぞれ、飛行管116,118から約25mm離して配置
しており、追加の差動排気段はない。
【0046】
電圧は、供給電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bに連続的に印加される。基準電圧+5.9kVは、イオン源電極130に印加される。抽出電極及びイオン検出器に印加された電圧は、反対極性を有することを除き、基準電圧に関して対称である。第1組の抽出電極126a,126bに印加された電圧は、それぞれ、+2.5kV,+9.3kVである。第2組の抽出電極128a,128bの電位は、それぞれ、+3.8kV,+8kVである。飛行管118,116に印加された電圧は、それぞれ、0V,+11.8kVである。
【0047】
検出器120,122の回路は、陽イオン検出器122が低電圧範囲で動作し、陰イオン検出器120が高電圧範囲で動作することから、異なる。マイクロチャネルプレート検出器122は、それぞれ、電圧−2200V,−200V,0Vに接続される入口側140、出口側142、及びアノード144を有する。比較すると、マイクロチャネルプレート検出器120は、それぞれ、電圧+14kV,+16kV,+16.2kVに接続される入口側134、出口側136、及びアノード138を有する。
【0048】
陰イオン検出器120に用いる高バイアス電圧のために、マイクロチャネルプレート組立体を、約20.32センチメートル(8インチ)のアクリルフランジアダプタを用いることによって、絶縁し、(飛行管の)真空チャンバから67mm離して配置した。検出器組立体のフレームは、+14kVでバイアスし、電極周辺の電圧差を低減し、これによって、陰イオン検出器120の動作時高電圧絶縁破壊を防止した。
【0049】
データ取り込み装置192の場合、500MHzデジタル蓄積型オシロスコープを用いた。オシロスコープ192は、数ボルトの信号を受け取ることから、DC減結合回路を用いて、オシロスコープ192からマイクロチャネルプレート検出器120の高バイアス電圧を絶縁した。
【0050】
図7において、回路194を用いて、マイクロチャネルプレート検出器120からの信号を終端した。回路194には、マイクロチャネルプレート検出器120をデジタル蓄積型オシロスコープ192から減結合するためのDC減結合回路180が含まれる。減結合回路180は、マイクロチャネルプレート検出器120から信号を受け取るノード182と、デジタル蓄積型オシロスコープ192に接続するノード184と、+16.2kVに接続するノード186と、を有する。減結合回路180は、デジタル蓄積型オシロスコープ192を陰イオン検出器120からの+16.2kVバイアス信号から絶縁する。
【0051】
減結合回路180には、高電圧定格を有する2つのコンデンサ188,190が含まれる。例えば、コンデンサ188,190は、それぞれ容量2nF及び10nFを有する高電圧セラミックコンデンサであってよく、各々、40kVの定格を有する。回路180は、周囲の環境から電気的に絶縁されたガラス筐体に密閉される。コンデンサの高電圧側にある導線は、ほとんど、例えば、100kVの電圧定格でシリコーン差込口の構成である。コンデンサは、回路180の短絡防止のための接地被覆でシールドされていない。
【0052】
マイクロチャネルプレート検出器120からの信号290は、DC減結合回路180を通過して、抵抗器310によって終端される。信号290は、デジタル蓄積型オシロスコープ192の第1チャネルによって測定される。比較すると、マイクロチャネルプレート検出器122からの信号292は、他の抵抗器によって直接終端され、デジタル蓄積型オシロスコープ192の第2チャネルによって測定される。
【0053】
パルス式周波数トリプレットNdYAGレーザ(355nm)は、レーザ光源114と
して用いられる。レーザ光124のパワーは、調査対象試料146に依存して、約2乃至10μJに減衰される。レーザ光124は、ソースチャンバの石英ガラス窓を通過して、試料146を照射する。レーザ光124は、供試面150に垂直に位置合わせされる。
【0054】
以下、上記質量分析計100の例を用いた実験の結果について述べる。これらの実験には、多数の生物標本を用いたが、これらには、インシュリン鎖B(M.W.=3495.9Da)、馬骨格筋ミオグロビン(M.W.=16951.5Da)、並びにアンギオテンシンI(M.W.=1296.7Da)、副腎皮質刺激ホルモン(ACTH)片1−17(M.W.=2093.1Da)、ACTH片18−39(M.W.=2065.2Da)、ACTH片7−38(M.W.=3657.9Da)、及びインシュリン(M.W.=5730.6Da)を含む較正タンパク質混合物が含まれる。ここで、“M.W.”とは、分子量を意味する。
【0055】
本実験では、タンパク質及び様々な分子量のタンパク質混合物を測定した。図8の8Aは、マトリックスとしてTHAPを含む50pmoleインシュリンB鎖のカチオン/アニオンスペクトルを示すグラフ200である。スペクトルは、約200回のレーザ照射に基づき得た。
【0056】
図8の8Bは、マトリックスとしてCHCAを備えたミオグロビンのカチオン/アニオンスペクトルを示すグラフ210である。スペクトルは、約1000回のレーザ照射に基づき得た。
【0057】
図9は、タンパク質較正混合物から発生させた陽及び陰イオンの質量スペクトルを示すグラフ240である。混合物は、20pmoleのアンギオテンシンI、20pmoleのACTH片1−17、15pmoleのACTH片18−39、30pmoleのACTH片7−38、及び35pmoleのインシュリンを用いて調製した。正又は負のいずれかに帯電した全てのタンパク質が、グラフ240において、疑いの余地無く識別された。
【0058】
図10は、陽イオン、陰イオン、及び中性粒子を同時に分析し得る質量分析計270の一例の断面図である。質量分析計270は、MALDIにおいて発生する様々な種類の陽及び陰イオン並びに中性粒子を研究するために、また、タンパク質のエネルギ論並びに電気的に中性な系のタンパク質複合体におけるそれらの相互作用を詳細に調べるために用いられ得る。
【0059】
分光計270は、陰イオンを分析するための陰質量分析計104と、陽イオンを分析するための陽質量分析計108と、中性粒子を分析するための第3質量分析計272とを備える。第3質量分析計272は、イオン源電極130の前(即ち、+z方向)に配置された電極274,276によって画成されるイオン化領域280を備える。試料から放出された中性粒子は、(図12において、“X”によって印した)位置に達すると、レーザ光282(例えば、248nmエキシマーレーザ)又は電子ビームによってイオン化される。電極274,276及び追加の電極278は、イオン粒子を第3質量分析計272の飛行管271に向かって加速させる電界勾配を発生させる電圧を有する。
【0060】
[代替例]
飛行時間型質量分析計を用いる代わりに、各質量分析計106,108,272は、例えば、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、又は運動量分析計を用い得る。質量分析計100の様々な構成要素の寸法は、上述したものに限定されない。レーザ光源114の種類は、上述したものと異なってよい。マイクロチャネルプレートを用いる代わりに、各検出
器120,122は、例えば、シンチレーション検出器、電子増倍管、又は電流検出器を備えてよい。
【0061】
図2において、分析試料は、必ずしもマトリックス中で混合されなくてよい。例えば、レーザーアブレーション(この場合、マトリックス分子を用いることなく、試料分子がレーザによって直接励起される)、集中電子ビームイオン化、高速原子衝撃を用いて陽及び陰イオンを発生させてよい。レーザ114を用いて試料146を活性化する代わりに、試料146は、例えば、電子ビーム、イオンビーム、又は活性化荷電粒子を含む高速原子ビームを用いることによって活性化されてよい。荷電粒子は、電流又はレーザによって発生され、電界によって集束させることができる。高速原子ビームは、超音波膨張によって発生させることができる。
【0062】
更に、図2のようにMALDI源を用いる代わりに、例えば、表面増強レーザ脱離イオン化(SELDI)イオン源、エレクトロスプレーイオン化(ESI)イオン源、電子衝撃(EI)イオン源、二次イオン源、又は化学イオン化(CI)イオン源も用いることができる。ESI、EI、及びCIイオン源の場合、試料電極130の試料プローブが中空管になるように変更でき、又は、プローブを除去してトンネルを空にすることができる。これらイオン源(ESI,EI,CI)のイオンは、試料電極130外で発生し、試料電極130の中空管(又はトンネル)に沿って案内される。イオンが中空管(又はトンネル)端を通って出ると、イオンは、矩形スロット154a,154bへ向けて案内され向けられて、それぞれ飛行管118,116へ向けて加速される。
【0063】
イオン源電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bに印加された電圧は、上述のものと異なってよい。図4において、抽出電極128bに印加された電圧は、必ずしも抽出電極128aに印加された電圧より高くなくてよい。同様に、抽出電極126bに印加された電圧は、必ずしも抽出電極126aに印加された電圧より低くなくてよい。
【0064】
イオン源電極130の異なる構成は、異なる種類のイオン源に用いられ得る。各種類のイオン源の場合、イオン源電極130の幾何学的形状及び寸法並びにイオン源電極130に印加された1つ以上の電圧は、イオンが加速領域に入射する前に、それぞれ陽及び陰イオン110,106をほぼ+x,−x方向へ向ける電界分布を発生させるように、調整する。陽及び陰イオンは、加速領域に入射する際、必ずしもx軸に平行な方向に進まねばならないとは限らず、また、x軸を基準にしてわずかな角度で傾斜させることができる。
【0065】
イオン源電極130及び抽出電極126a,126b,128a,128bの幾何学的形状は、上述したものと異なってよい。図6において、電極130の異なる構成要素は、電界分布によって、陽イオンが、集束され、矩形スロット154aを通って案内され、また、陰イオンが、集束され、矩形スロット154bを通って案内される限り、必ずしも同じ電位でなければならないとは限らない。
上記説明は、例示を意図しており、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項範囲によって規定されることを理解されたい。他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
二極性飛行時間型質量分析計であって、
供試面から陽イオン及び陰イオンを発生させるイオン源と、陰イオンを案内して陰イオンのビームへと集束させるとともに、陽イオンを案内して陽イオンのビームへと集束させるための電界を発生させる電極とを備える二極性イオン発生器と、
陰イオンのビームを受け取るための第1飛行管と、
第1飛行管中を進む陰イオンを検出するための第1イオン検出器と、
陽イオンのビームを受け取る第2飛行管と、
第2飛行管中を進む陽イオンを検出するための第2イオン検出器と、からなる二極性飛行時間型質量分析計。
【請求項2】
電界中に配置された供試面に置かれた材料から陽イオン及び陰イオンを発生させることと、
前記電界の第1部分を用いて、第1質量分析計へ陰イオンを案内することと、
前記電界の第2部分を用いて、第2質量分析計へ陽イオンを案内することと、
第1質量分析計を用いて陰イオンを分析することと、
第2質量分析計を用いて陽イオンを分析することと、からなる方法。
【請求項3】
第1質量分析計へ陰イオンを案内することは、第1壁によって画成された第1開口部を陰イオンに通過させることを含み、
第2質量分析計へ陽イオンを案内することは、第2壁によって画成された第2開口部を陽イオンに通過させることを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記供試面、第1壁、及び第2壁を同じ電圧に接続することを含む請求項2に記載の方法。
【請求項5】
前記材料から放出され、第2レーザ光及びエネルギ粒子流のうちの1つ以上によってイオン化された中性粒子を分析することを含む請求項2に記載の方法。
【請求項6】
第1質量分析計へ陰イオンを案内することは、前記供試面より高い電圧を有する第1抽出電極を用いて、第1質量分析計へ向けて陰イオンを加速させることを含み、
第2質量分析計へ陽イオンを案内することは、前記供試面より低い電圧を有する第2抽出電極を用いて、第2質量分析計へ向けて陽イオンを加速させることを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項7】
前記試料を通る平面を基準にして対称に第1及び第2抽出電極を配置することを含む請求項6に記載の方法。
【請求項8】
供試面から陽イオン及び陰イオンを提供することと、
前記供試面から放出された陰イオンの進行方向を変更するための第1飛跡調整段を形成する分布を有する第1電界を発生させることと、
陰イオンを加速させるための第1加速段を形成する分布を有する第2電界を発生させることと、
前記供試面から放出された陽イオンの進行方向を変更するための第2飛跡調整段を形成する分布を有する第3電界を発生させることと、
陽イオンを加速させるための第2加速段を形成する分布を有する第4電界を発生させることと、からなる方法。
【請求項9】
前記供試面は第1及び第3電界の影響を受ける位置に配置される請求項8に記載の方法

【請求項10】
第1加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第1飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高い請求項8に記載の方法。
【請求項11】
供試面を備えるイオン源電極と、供試面上には、レーザ光及びエネルギ粒子流のうちの1つ以上によって励起されると、少なくとも陽イオン及び陰イオンを提供する試料が配置されることと、
前記供試面より高い電圧に接続され、前記供試面から陰イオンを引きつける第1抽出電極と、第1抽出電極は陰イオンを通過させる開口部を有することと、
前記供試面より低い電圧に接続され、前記供試面から陽イオンを引きつける第2抽出電極と、第2抽出電極は陽イオンを通過させる開口部を有することと、
第1及び第2抽出電極は前記イオン源電極の対向する側に配置されることと、からなる装置。
【請求項12】
前記イオン源電極は、第1壁及び第2壁を備え、第1壁は陰イオンを通過させる開口部を有するとともに、前記供試面と第1抽出電極との間に配置されており、第2壁は陽イオンを通過させる開口部を有するとともに、前記供試面と第2抽出電極との間に配置されている請求項11に記載の装置。
【請求項13】
前記供試面、第1壁、及び第2壁は、同じ電圧を有する請求項12に記載の装置。
【請求項14】
第1抽出電極の前記開口部を通過する陰イオンを分析するための第1質量分析計と、
第2抽出電極の前記開口部を通過する陽イオンを分析するための第2質量分析計と、をさらに備える請求項11に記載の装置。
【請求項15】
第1質量分析計は、飛行時間型質量分析計、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、及び運動量分析計のうちの1つ以上を含む請求項14に記載の装置。
【請求項16】
第1質量分析計は、シンチレーション検出器、マイクロチャネルプレート検出器、電子増倍管、及び電流検出器のうちの1つ以上を含む第1検出器を備える請求項14に記載の装置。
【請求項17】
第1及び第2壁は、前記試料を通る平面を基準にして対称である請求項11に記載の装置。
【請求項18】
第1及び第2抽出電極は、前記試料を通る平面を基準にして対称である請求項11に記載の装置。
【請求項19】
第1及び第2壁の前記開口部の各々は、長尺状の形状を有する請求項11に記載の装置。
【請求項20】
第1及び第2壁の前記開口部の各々は、矩形の形状を有する請求項19に記載の装置。
【請求項21】
前記イオン源電極は、マトリックス支援レーザ脱離/イオン化(MALDI)イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化(SELDI)イオン源、及びレーザーアブレーションイオン源のうちの1つ以上を含む請求項11に記載の装置。
【請求項22】
前記試料から放出され、第2レーザ光及び第2エネルギ粒子流のうちの1つ以上によっ
てイオン化された中性粒子を分析するための第3質量分析計を更に備える請求項11に記載の装置。
【請求項23】
陽イオン及び陰イオンの進行方向を変更するとともに、陽及び陰イオンを加速させるための電極と、前記電極は複数の電圧に接続された表面を有することと、前記表面は、第1飛跡調整段、第1加速段、第2飛跡調整段、及び第2加速段を形成する電界を発生させることと、
第1飛跡調整段における前記電界は、陰イオンの進行方向を変え、陰イオンを第1加速段に向けて進めることと、第1加速段における前記電界は陰イオンを加速させることと、第2飛跡調整段における前記電界は、陽イオンの進行方向を変え、陽イオンを第2加速段に向けて進めることと、第2加速段における前記電界は陽イオンを加速させることと、からなる装置。
【請求項24】
陽及び陰イオンを発生させるためのイオン源を更に備え、前記イオン源は、レーザーアブレーションイオン源、マトリックス支援レーザ脱離/イオン化(MALDI)イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化(SELDI)イオン源、エレクトロスプレーイオン化(ESl)イオン源、電子衝撃(EI)イオン源、二次イオン源、高速原子衝撃(FAB)イオン源、及び化学イオン化(CI)イオン源のうちの1つ以上を含む請求項23に記載の装置。
【請求項25】
第1加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第1飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高い請求項23に記載の装置。
【請求項26】
第2加速段における陽イオンの平均加速エネルギは、第2飛跡調整段における陽イオンの平均加速エネルギより高い請求項23に記載の装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公表番号】特表2010−506361(P2010−506361A)
【公表日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−531577(P2009−531577)
【出願日】平成19年10月3日(2007.10.3)
【国際出願番号】PCT/US2007/080284
【国際公開番号】WO2008/042949
【国際公開日】平成20年4月10日(2008.4.10)
【出願人】(596118493)アカデミア シニカ (33)
【氏名又は名称原語表記】ACADEMIA SINICA
【Fターム(参考)】