質量に関する情報を取得するための情報取得装置及び情報取得方法
【課題】基板上の試料分子の質量に関する情報を取得するための質量分析装置において、試料成分やマトリックスより産出されるプロトンを無駄なく捕獲し、該プロトンを飛翔中の中性試料分子に有効に付着させることにより、試料分子の検出感度を向上させる質量分析装置を提供すること。
【解決手段】一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と基板上の試料表面が交わる点を中心点とし、中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で円錐状に広がる領域内に電極を配置する。この電極を使い発生させた電界により、一次ビームの照射により飛翔するプロトンを捕獲し、該プロトンを同様に飛翔する中性試料分子に付着させる。
【解決手段】一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と基板上の試料表面が交わる点を中心点とし、中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で円錐状に広がる領域内に電極を配置する。この電極を使い発生させた電界により、一次ビームの照射により飛翔するプロトンを捕獲し、該プロトンを同様に飛翔する中性試料分子に付着させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量に関する情報を取得するための情報取得装置情報取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ＝Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry）では、固体または液体試料をマトリックスと呼ばれる物質（例えば、シナピン酸やグリセリン等）に混入し、金属製の試料ホルダー上に塗付して用いる。これを真空室の中に導入し、試料ホルダーとその上方に設けた引き出し電極との間に高電圧を印加しつつ、マトリックスに一次プローブとしてレーザービームを照射する。マトリックスにレーザービームが照射されると、マトリックス成分がレーザー光のもつエネルギーを吸収して気化することで、試料分子成分とともに試料から真空中に放出される。このとき、マトリックス分子と試料分子との間でプロトンが移動し、試料分子がイオン化すると考えられている。こうして形成された二次イオンが引き出し電極により加速され、それが検出器に到達するまでの飛行時間を測定することにより、二次イオンの質量／電荷比を求めることができる。一方、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ＝Time Of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry）は、マトリックスを用いないこと及び一次プローブが異なることを除き、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳと同様な原理を用いている。すなわち、ＴＯＦ−ＳＩＭＳでは、試料を配置した試料ホルダーを真空中に導入し、該試料ホルダーとその上方に設けた引き出し電極との間に高電圧を印加しつつ、試料に一次プローブとして一次イオンビームを照射する。この一次イオンビームの照射エネルギーにより、試料分子が試料から真空中に放出される。このとき、試料中に含まれる水分または有機成分からプロトンが移動し、試料分子がイオン化すると考えられている。こうして形成された二次イオンは引き出し電極により加速され、それが検出器に到達するまでの飛行時間を測定することにより、二次イオンの質量／電荷比を求めることができる。なお、以下では、上記一次プローブとしてのレーザービームや一次イオンビームを総称して一次ビームとよぶ。
【０００３】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳにおける試料分子のイオン化は、上述のような過程を経て、試料分子にプロトン（あるいは他の荷電粒子、ただし以下の説明ではプロトンに代表させる）が付着した形（protonated molecule）で検出されることが多い。
【０００４】
しかしながら、放出された試料分子の多くは飛翔中、プロトンと衝突することなく測定に関与しないままに終わる。一方、エレクトロスプレーイオン化質量分析法（ＥＳＩ−ＭＳ: Electro Spray Ionization Mass Spectrometry）では、水などの溶媒から多量に発生するプロトンを試料分子に付着させることで、該試料分子の検出感度を向上させていると考えられている。したがって、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいても、放出された試料分子へのプロトン付着を促進させることにより、検出感度の向上が期待できる。
【０００５】
たとえば、特開平８−１４５９５０号公報（特許文献１）には、（１）試料分子を含む水溶液をガス状態にし、（２）次いで、コロナ放電により水分子を励起してプロトンを生成させ、（３）このプロトンを試料分子に付着させる、という工程により、該試料分子の検出感度を向上させる方法が開示されている。
【０００６】
さらには、特開平９−３２０５１５号公報（特許文献２）では、試料基板の上方にイオン捕獲用電極（試料基板とは絶縁されている）を設け、発生させた電界内でイオン化学反応を生じさせ、特定の試料分子の検出感度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１４５９５０号公報
【特許文献２】特開平９−３２０５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳなど、基板上の試料分子の質量を分析する方法では、試料から放出された試料分子の多くは中性の状態で真空中に飛翔する。その後、先に述べたように、該試料分子にプロトンが付着し、電荷を持った二次イオンが生成される。
【０００９】
このとき、プロトンも試料分子も一次ビーム照射点を中心として発散的に飛翔するため、試料分子にプロトンが付着する確率が小さいという問題があった。上記特許文献１では、この問題を克服するために、コロナ放電を用いてプロトンを供給する方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１の方法ではプロトンを供給する機構が必要になるため、質量分析装置自体が大掛かりになるという問題がある。さらには、プロトンを直接、真空チャンバー内に供給するため、プロトンが該チャンバー内に充満して検出信号のバックグランドの増加を招き、それが計測結果の信頼性を損なうことになるという問題もある。
【００１１】
一方、特許文献２に記載の方法、すなわち、試料基板の上方にイオン捕獲用電極を設け、発生させた電界内でイオン化学反応を生じさせ、特定の試料分子の検出感度を向上させる方法にも次のような問題がある。すなわち、（１）この手法のイオン化学反応の対象となる物質は、電荷を持ったイオンであり、中性試料分子は対象外である、という問題と、（２）試料基板の上方に設置した電極により発生させた「試料基板に対し垂直方向となる電界」では、中性試料分子にプロトンを付着させる効率が低い、という問題である。（２）の問題が生ずる理由について、以下に詳述する。一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、一次ビーム軸と試料表面が交わる点を中心点とし、その中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸と定義する。このように定義すると、上述のように、プロトンや試料分子は該中心点を起点として発散的に飛翔する。すなわち、プロトンや試料分子の多くは、一次ビーム軸と線対称をなす軸を中心として円錐状に発散する方向へ飛翔する。したがって、特許文献２に記載の「試料基板に対し垂直方向となる電界」では、飛翔したプロトンを試料方向へ有効に引き戻すことが難しい。このため、飛翔した試料分子にプロトンを付着させる確率を向上させることが難しいのである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の課題について鋭意検討した結果、試料成分やマトリックスより産出されるプロトン等の荷電粒子を利用し、効率よく飛翔中の試料分子に付着させる装置及び方法を見出した。
すなわち、本発明は、基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得装置において、イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して基板上の対象物に照射する機構を備え、該一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と該対象物表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記一次ビームによって生じた荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極を備え、該基板の上方に質量分析のための引き出し電極を備えることを特徴とする情報取得装置を提供する。
【００１３】
また、本発明は、基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得方法において、 イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して前記対象物に照射して前記構成物の中性分子及び荷電粒子を飛翔させる工程と、
前記工程で一次ビームを対象物に照射すると同時又はその後に、飛翔した荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極に電圧を印加して前記工程で飛翔した前記構成物の中性分子に荷電粒子を付与する工程と、
前記工程で引き戻し電極に電圧を印加した後に引き出し電極に電圧を印加して、前記工程で荷電粒子が付与した前記構成物の中性分子を質量分析装置で検出して質量情報を取得する工程と、を有し、
前記一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と前記対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記引き戻し電極を設けることを特徴とする情報取得方法を提供する。
【００１４】
本発明の態様の一例として、前記引き戻し電極の形状を平板状、パラボラ状、または、リング状とすることが挙げられる。
【００１５】
本発明の態様の一例として、前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることが挙げられる。
【００１６】
また、本発明の態様の一例として、一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングを、０．１μ秒〜２０μ秒後とすること挙げられることができる。
【００１７】
本発明の態様の一例として、一次ビームのパルスと同時またはその後にプロトン制御電極前記引き戻し電極への電圧印加がなされ、さらにその後に、前記引き出し電極への電圧印加がなされることが挙げられる。
【００１８】
本発明の態様の一例として、前記装置が、前記一次ビームのパルスのタイミング、前記引き戻し電極への電圧印加のタイミング、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御する機構を備えることが挙げられる。
【００１９】
本発明の態様の一例として、前記構成物がタンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドのいずれかであることが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の情報取得装置における引き戻し電極、一次ビーム、基板、及び引き出し電極の空間的位置関係を示す断面図である。
【図２】本発明の情報取得装置における引き戻し電極を装備した試料ホルダーの平面図と正面図である。
【図３】（ａ）は実施例におけるプロトン制御電極への印加電圧と［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ」＋およびＡｕ８＋の規格化イオンカウント数との相関を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の代表的な印加電圧下におけるスペクトル である。
【図４】比較例における一次ビーム、基板、質量分析のための引き出し電極の空間的位置関係を示す断面図である。
【図５】（ａ）は比較例における基板垂直方向印加電圧と［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の規格化イオンカウント数の相関を示す図であり、（ｂ）は［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の代表的な印加電圧下におけるスペクトルである。
【図６】本発明の情報取得装置における制御のタイミングの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明を図面を用いて説明する。
図１に本発明の情報取得装置の例を示す。図１では基板１３上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報が質量分析法を用いて取得される。対象物とは質量分析法で測定されるもの全てを指し、例として、高分子化合物、低分子化合物、有機化合物、無機化合物、生体、臓器、生体由来試料、組織切片、細胞、培養細胞、などをあげることができる。対象物を構成する構成物の例としては、有機化合物、無機化合物、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、などをあげることができる。質量分析法は、あらゆる質量分析法を用いることができるが、とりわけ、イオン化法 としてＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ、ＳＩＭＳ、ＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ、高速原子衝突）を採用し、分析部としては、飛行時間型、磁場偏向型、四重極型、イオントラップ型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型を採用するものをあげることができる。これらの質量分析方法においては、質量に関する情報（質量情報）は、質量を電荷で除した値における信号強度が得られる。本発明の情報取得装置は、図１に例示するように、一次ビーム２１を基板上の対象物に照射する機構を備え、この機構は、図示しないが、さらに、一次ビームを収束し、パルス化する機構を備えている。一次ビームとしては、イオンビーム、中性粒子ビーム、あるいはレーザービームなどをあげることができる。
本発明の情報取得装置の構成を図１に即して説明する。一次ビームの軌跡を一次ビーム軸２１とし、一次ビーム軸と該対象物表面が交わる点を中心点として、その中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、中心軸に対し一次ビーム軸２１と線対称をなす軸に対して３０度の角度で中心点から円錐状に広がる領域内に荷電粒子を試料方向に引き戻す力を及ぼすための引き戻し電極１９を備え、さらに、基板の上方に質量分析のための引き出し電極２０を備えている。なお、引き戻し電極は、中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上にあると検出感度向上効果が最も大きいので好ましい。引き戻し電極とは、プロトン等の荷電粒子の挙動を制御するための電界を生じさせることを目的として設置される電極のことをいう。プロトン等の荷電粒子が基板上の対象物から放出され飛翔する際には、放出の分布として一次ビームの入射方向に対し線対称の関係になる方向に放射角のピークを持つが、その際にある程度の広がりを持って放出される事が知られている。このとき、中心軸に対し一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で中心点から円錐状に広がる領域上に引き戻し電極を設ければ、基板と引き戻し電極との間に電圧を印加することにより、一次ビームの照射により生成した荷電粒子を試料方向に引き戻す力が有効に働くが、引き戻し電極を設ける位置がこの領域を外れるとそのような力が有効に働かない場合がある。このような位置に引き戻し電極を設けることにより、一次ビームによって生じた中性分子とプロトン等の荷電粒子との衝突が起こって中性分子に荷電粒子が付与され、構成物の検出感度が高くなる。なお、本発明のプロトン制御電極の例として、平板状、パラボラ状、及びリング状の電極をあげることができる。リング状等の中空の電極を用いる場合には、中空部分を含めた電極が上記の条件を満たせば良い。プロトン制御電極１９への電圧印加は、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加のいずれかが好ましく、この電圧印加により、プロトン制御電極１９と対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲となることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の情報取得装置は、質量分析のために二次イオンを加速することを目的として基板の上方に引き出し電極２０を備えている。
【００２３】
図には示さないが、本発明の情報取得装置は、一次ビーム２１のパルスのタイミング、引き戻し電極１９への電圧印加のタイミング、引き出し電極２０への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御するタイミング制御機構を備えている。これらの制御の一例を図６に示す。好ましくは、一次ビーム２１が対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、引き出し電極２０への電圧印加のタイミングが、０．１μ秒〜２０μ秒後であることが好ましい。また、一次ビームが対象物に到達すると同時またはその後に引き戻し電極に電圧が印加され、その後に引き出し電極へ電圧が印加されることが好ましい。
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。以下の具体例は本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる具体的形態に限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例では、上記「引き戻し電極」を、典型的な荷電粒子であるプロトンの挙動を制御する働きを有するという意味で「プロトン制御電極」と呼ぶ。
【００２４】
（実施例）「プロトン制御電極装備の試料ホルダー」の作製 プロトン制御電極を備えた試料ホルダーを作成し、これをＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置（ＩＯＮ−ＴＯＦ社製）に取り付けた。図２にプロトン制御電極１９を装備した試料ホルダー１１の平面図と正面図を示す。装置外部から±２００Ｖ程度の直流の電圧を印加できる陽極配線１４−１、陰極配線１４−２をそれぞれ配し、その配線の先端にプロトン制御電極１９および基板１３を接続した。それぞれの配線の一方は、装置外部においた安定化電源装置に接続した。このとき、配線１４、プロトン制御電極１９および基板１３の周りは絶縁板１２で覆うことでリーク電流を防止してある。
【００２５】
プロトン制御電極１９を絶縁支持棒１５に固定し、基板１３から放出され飛翔するプロトン１６を有効に捕獲できる位置に配置した。具体的には、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの場合、図２で示す基板１３の法線方向における左斜め４５度が一次ビーム２１の入射方向となるため、プロトン１６の多くは、図２で示す基板１３の法線から右斜め４５度の方向に放出され飛翔する。したがって、プロトン制御電極１９は、図２で示すように、基板１３の法線から右斜め４５度の軸上に、電極の中央が位置するように設置した。
【００２６】
この時、生成されたイオンが質量分析器２０に引き込まれることを妨げないように、また、プロトン制御電極１９が質量分析器２０に接触しないように、プロトン制御電極１９およびその支持棒１５のサイズや配置高さを調整することが望ましい。今回は、プロトン制御電極１９を試料からの高さが７ｍｍ（電極中央部）の位置になるように設置した。このとき、試料中央とプロトン制御電極１９中央との距離は１０ｍｍとなった。
【００２７】
今回使用した試料ホルダー１１は、１０ｍｍ×１０ｍｍに切り出した厚さ１ｍｍのテフロン（登録商標）板を絶縁板１２として用い、ネジで試料ホルダー１１上に固定した。その中央に２ｍｍ×２ｍｍに切り出した金蒸着シリコンウエハで構成される基板１３を両面テープで固定した。プロトン制御電極１９としてアルミ箔を５ｍｍ×５ｍｍに切り出し、厚紙を２ｍｍ×１０ｍｍ程度に切り出して作製した絶縁支持棒１５の上端に両面テープで貼り付けた。絶縁支持棒１５の下端を試料ホルダー上の絶縁板１２に固定した。
【００２８】
プロトン制御電極１９の裏面と基板１３に、それぞれ陽極配線１４−１、陰極配線１４−２の銅線を接続し、試料ホルダー１１に設置の外部電極導入端子へ通電接続した。この配線を用いて、プロトン制御電極１９に電圧を印加した際に生じる電界分布を二次元ＦＴＤＴ法（Finite-difference time-domain method：有限差分時間領域法）により算出し、その電気力線１７の方向を図１に破線で示した。また、その電界中を飛翔するプロトン１６の挙動を図１に示す。
【００２９】
「有機膜試料の情報取得」 質量数１６７２のペプチド分子Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ‐Ｉ（ＳＩＧＭＡ社）の水溶液１０μｇ／ｍＬを用意し、測定の試料とした。２ｍｍ×２ｍｍに切り出した金蒸着／シリコン基板上に、前記溶液０．５μＬを滴下して、大気下で風乾した。これを前記基板１３とした。その後、該基板１３を前記試料ホルダー１１上に装着して、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの測定をおこなった。
【００３０】
「ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定」 ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定には、ＩＯＮ−ＴＯＦ社製 ＴＯＦ−ＳＩＭＳIV型装置（商品名）を用いた。一次イオン：２５ｋＶ Ｇａ＋、２．４ｐＡ（パルス電流値）、ｓａｗｔｏｏｔｈスキャンモード一次イオンのパルス周波数：５ｋＨｚ（２００μｓ／ｓｈｏｔ）一次イオンパルス幅：約０．８ｎ秒一次イオンビーム直径：約０．８μｍ測定領域：２００μｍ × ２００μｍ２次イオンの測定点数：１２８×１２８点積算時間：１６回スキャン（約５２秒）二次イオン引き出し電極電圧：０、または、−２ｋＶ（切り替え可能）二次イオン引き出し電極と基板間の距離：１．５ｍｍ二次イオンの検出モード：正イオンプロトン制御電極と基板間の印加電圧：＋１６０〜−２０Ｖ（ＤＣ）プロトン制御電極と基板間の電圧印加時間：常時一次イオンビームの試料到達後、二次イオン検出の引き出し電極印加までの遅延時間：０．５μ秒 上記のように決定した測定条件に基づき、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定を実施した。
【００３１】
プロトン制御電極１９と基板１３との間にかかる電圧を−２０から＋１６０Vまで、２０Ｖおきに変化させて、試料位置を変えずに測定を行った。その後、測定位置を数回変えて、同様の測定を繰り返した。それぞれの測定で得られた試料分子［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋（ｍ／ｚ１６７３．２）、および、Ａｕ８＋（金の８量体イオン：ｍ／ｚ１５７５．９）のピーク面積強度（イオンカウント数）を総検出量（トータル・イオンカウント数）で規格化し、検出量とした。得られた検出量の平均値を、前記電圧値に対してプロットしたグラフを図３（１）に示す。ここで、プロトン制御電極への印加電圧がプロトン制御電極１９と基板１３との間にかかる電圧に相当する。このグラフよりわかるように、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖを超えたあたりより、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋H］＋の検出量が急激に増加する。このことは、（１）プロトン制御電極への印加電圧の増大により、基板１３より放出したプロトン１６が飛翔と逆方向に引き戻され、（２）遅い速度で飛翔してきた中性試料分子１８と衝突する機会が増える。その結果、試料分子へのプロトン付着が十分進行したと考えることができる。一方、Ａｕ８＋はプロトンを付着しない性質のイオンのため、その検出量は、プロトン制御電極への印加電圧値によらず一定の値になると考えられる。図３（１）に示した結果は、このような考えによって支持される。
【００３２】
ここで、プロトン制御電極への電圧印加時におけるプロトンの挙動について考察する。ＴＯＦ−ＳＩＭＳの一次ビーム照射により試料表面から放出されるプロトン１６の運動エネルギーは約１〜３０ｅＶの範囲にあることが知られている。これは、ＴＯＦ検出器にあるリフレクトロン機構で容易に知ることができる。この運動エネルギーを持って真空の電界中を飛行するプロトンの移動時間を考えたとき、本実施例の基板１３とプロトン制御電極１９との間に生じる１００Ｖ／１０ｍｍの電界下では、往復時間に約０．１から２μ秒が必要となる。ここで、二次イオン検出の引き出し電極印加の遅延時間を０．５μ秒としていることを合わせて考えると、（１）プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖ以下の場合は、プロトン１６の飛翔を抑えることができず、プロトン制御電極１９への衝突が生じている、（２）逆に、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖよりも十分に大きな場合は、試料分子へのプロトン付着が進行するが、生成したイオンが高電界により基板１３の方向に戻され、基板１３への衝突により電荷を消失してしまうと考えられる。実施例において、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖ以上１６０Ｖ以下の範囲で、試料分子へのプロトン付着が進行し、感度の向上が見られた。
【００３３】
以上を要約すると、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖより低い領域では、試料分子へのプロトン付着が十分でないため、感度の向上はみられない。また、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖより高い領域では、試料分子へのプロトン付着は進行する。しかし、さらに印加電圧を高くすると上記の理由により、生成したイオンの電荷が消失してしまうと考えることができる。図（１）のグラフで示した、プロトン付着の試料分子検出量（［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋規格化イオンカウント数）の変化は、上述の現象を捉えたものであると考えられる。
【００３４】
(比較例) 基板１３に対して垂直方向に電界を加えた場合の試料分子の検出を比較実験としておこなった。この比較例では上記の実施例で用いたものと同じ、プロトン制御電極１９装備の試料ホルダー１１とペプチド分子Ｎｅｕｒｔｅｎｓｉｎ滴下の基板１３を用いた。ただし、プロトン制御電極１９に陽極配線１４−１は接続せず、基板１３に接続の陰極配線１４−２のもう一端を試料ホルダー１１に接続して用いた。これにより、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置に付属のサンプル・バイアス機構を使用して、基板１３の垂直方向に±２００Vまでの電圧を印加できる。このサンプル・バイアス機構を用いた電圧印加によって生じる電界を、二次元ＦＴＤＴ法により算出し、その電気力線１７の方向を図４に破線で示した。この図より判るように、電界は基板１３の垂直方向に印加される。また、その電界中を飛翔するプロトン１６の挙動を図４に示す。このようにして、比較例ではサンプル・バイアス電圧を０から−２００Ｖまで変化させて、基板１３の垂直方向に加わる電界を変化させた。
【００３５】
その他の条件は、上記の実施例を同様とし、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋、および、Ａｕ８＋の検出量（規格化イオンカウント数）を計測した。
【００３６】
その結果を図５（１）のグラフに示す。このグラフよりわかるように、サンプル・バイアス電圧の変化に対して、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋とＡｕ８＋のどちらも、その検出量に大きな変化は見られなかった。
【００３７】
この結果は、垂直方向に電界を加えた場合でも、プロトン１６は基板１３の方向に引き戻されるが、中性試料分子１８と衝突する確率を大きく向上させることはできない、と解釈できる。図４に示したプロトン１６の挙動にあるように、垂直方向の電界では、試料分子へのプロトン１６付着を十分に進行させることができず、結果として、図５（１）のグラフで示したように、[Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ]＋の検出量に変化が生じないと考えられる。
【００３８】
（評価） 上記のように、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定において、試料ホルダー上に、プロトン制御電極１９を設置し、該電極と基板１３との間に電界を加えることで、試料分子へのプロトン付着を効率よくおこなうことができることを我々は見出した。また、この手法は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ測定など基板上の試料分子を検出する他の質量分析手法にも応用が可能である。その際、効率よくプロトンを捕獲するため、各分析装置に合わせた電極形状、配置構造を選択することが望ましい。例えば、各分析装置での放出プロトンのエネルギーに合わせた電界の印加量、試料と電極間の距離、プロトン制御電極の形状などの調整が望ましい。さらには、プロトン制御電極１９の形状を工夫することにより、より効率良くプロトン付着の試料分子イオンを検出できる。具体例を挙げると、プロトン制御電極１９にパラボラ状やリング状の電極を用いることで、生じる電界を試料表面のプロトン放出点に集中させることができる。これにより、さらに効率良く飛翔プロトン１６を中性試料分子１８と衝突させることが可能となる。
【００３９】
また、プロトン制御電極１９と基板１３との間に交流の電圧を印加してもよい。一次ビーム軸と線対称をなす軸方向に交流の電界を発生させることにより、プロトン１６を試料表面上空に捕獲保持でき、さらに効率良く飛翔プロトン１６を中性試料分子１８と衝突させることが可能となる。
【００４０】
特に高周波数の交流電圧を用いることで、飛翔プロトン１６と中性試料分子１８の衝突確率向上が見込まれることから、プロトン付着試料分子イオンの検出感度増加に一定の効果が望まれる。その場合、今回の実験で得られたプロトン１６の飛翔速度、および、挙動から鑑みて、交流電圧の周期は０．１から１０ＭＨｚの範囲が望ましい。
【００４１】
本発明により、イオン供給等の大掛かりな設備の必要もなく、試料分子にプロトンを付着させる確率を向上させることができるため、基板上の試料分子を感度良く検出できる。特に、プロトン制御電極を中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上に備えることで、例えば垂直方向に電界を加える場合と比較して、試料分子へのプロトン付着の効率を向上することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量に関する情報を取得するための情報取得装置情報取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ＝Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry）では、固体または液体試料をマトリックスと呼ばれる物質（例えば、シナピン酸やグリセリン等）に混入し、金属製の試料ホルダー上に塗付して用いる。これを真空室の中に導入し、試料ホルダーとその上方に設けた引き出し電極との間に高電圧を印加しつつ、マトリックスに一次プローブとしてレーザービームを照射する。マトリックスにレーザービームが照射されると、マトリックス成分がレーザー光のもつエネルギーを吸収して気化することで、試料分子成分とともに試料から真空中に放出される。このとき、マトリックス分子と試料分子との間でプロトンが移動し、試料分子がイオン化すると考えられている。こうして形成された二次イオンが引き出し電極により加速され、それが検出器に到達するまでの飛行時間を測定することにより、二次イオンの質量／電荷比を求めることができる。一方、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ＝Time Of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry）は、マトリックスを用いないこと及び一次プローブが異なることを除き、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳと同様な原理を用いている。すなわち、ＴＯＦ−ＳＩＭＳでは、試料を配置した試料ホルダーを真空中に導入し、該試料ホルダーとその上方に設けた引き出し電極との間に高電圧を印加しつつ、試料に一次プローブとして一次イオンビームを照射する。この一次イオンビームの照射エネルギーにより、試料分子が試料から真空中に放出される。このとき、試料中に含まれる水分または有機成分からプロトンが移動し、試料分子がイオン化すると考えられている。こうして形成された二次イオンは引き出し電極により加速され、それが検出器に到達するまでの飛行時間を測定することにより、二次イオンの質量／電荷比を求めることができる。なお、以下では、上記一次プローブとしてのレーザービームや一次イオンビームを総称して一次ビームとよぶ。
【０００３】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳにおける試料分子のイオン化は、上述のような過程を経て、試料分子にプロトン（あるいは他の荷電粒子、ただし以下の説明ではプロトンに代表させる）が付着した形（protonated molecule）で検出されることが多い。
【０００４】
しかしながら、放出された試料分子の多くは飛翔中、プロトンと衝突することなく測定に関与しないままに終わる。一方、エレクトロスプレーイオン化質量分析法（ＥＳＩ−ＭＳ: Electro Spray Ionization Mass Spectrometry）では、水などの溶媒から多量に発生するプロトンを試料分子に付着させることで、該試料分子の検出感度を向上させていると考えられている。したがって、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいても、放出された試料分子へのプロトン付着を促進させることにより、検出感度の向上が期待できる。
【０００５】
たとえば、特開平８−１４５９５０号公報（特許文献１）には、（１）試料分子を含む水溶液をガス状態にし、（２）次いで、コロナ放電により水分子を励起してプロトンを生成させ、（３）このプロトンを試料分子に付着させる、という工程により、該試料分子の検出感度を向上させる方法が開示されている。
【０００６】
さらには、特開平９−３２０５１５号公報（特許文献２）では、試料基板の上方にイオン捕獲用電極（試料基板とは絶縁されている）を設け、発生させた電界内でイオン化学反応を生じさせ、特定の試料分子の検出感度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１４５９５０号公報
【特許文献２】特開平９−３２０５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳやＴＯＦ−ＳＩＭＳなど、基板上の試料分子の質量を分析する方法では、試料から放出された試料分子の多くは中性の状態で真空中に飛翔する。その後、先に述べたように、該試料分子にプロトンが付着し、電荷を持った二次イオンが生成される。
【０００９】
このとき、プロトンも試料分子も一次ビーム照射点を中心として発散的に飛翔するため、試料分子にプロトンが付着する確率が小さいという問題があった。上記特許文献１では、この問題を克服するために、コロナ放電を用いてプロトンを供給する方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１の方法ではプロトンを供給する機構が必要になるため、質量分析装置自体が大掛かりになるという問題がある。さらには、プロトンを直接、真空チャンバー内に供給するため、プロトンが該チャンバー内に充満して検出信号のバックグランドの増加を招き、それが計測結果の信頼性を損なうことになるという問題もある。
【００１１】
一方、特許文献２に記載の方法、すなわち、試料基板の上方にイオン捕獲用電極を設け、発生させた電界内でイオン化学反応を生じさせ、特定の試料分子の検出感度を向上させる方法にも次のような問題がある。すなわち、（１）この手法のイオン化学反応の対象となる物質は、電荷を持ったイオンであり、中性試料分子は対象外である、という問題と、（２）試料基板の上方に設置した電極により発生させた「試料基板に対し垂直方向となる電界」では、中性試料分子にプロトンを付着させる効率が低い、という問題である。（２）の問題が生ずる理由について、以下に詳述する。一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、一次ビーム軸と試料表面が交わる点を中心点とし、その中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸と定義する。このように定義すると、上述のように、プロトンや試料分子は該中心点を起点として発散的に飛翔する。すなわち、プロトンや試料分子の多くは、一次ビーム軸と線対称をなす軸を中心として円錐状に発散する方向へ飛翔する。したがって、特許文献２に記載の「試料基板に対し垂直方向となる電界」では、飛翔したプロトンを試料方向へ有効に引き戻すことが難しい。このため、飛翔した試料分子にプロトンを付着させる確率を向上させることが難しいのである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の課題について鋭意検討した結果、試料成分やマトリックスより産出されるプロトン等の荷電粒子を利用し、効率よく飛翔中の試料分子に付着させる装置及び方法を見出した。
すなわち、本発明は、基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得装置において、イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して基板上の対象物に照射する機構を備え、該一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と該対象物表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記一次ビームによって生じた荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極を備え、該基板の上方に質量分析のための引き出し電極を備えることを特徴とする情報取得装置を提供する。
【００１３】
また、本発明は、基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得方法において、 イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して前記対象物に照射して前記構成物の中性分子及び荷電粒子を飛翔させる工程と、
前記工程で一次ビームを対象物に照射すると同時又はその後に、飛翔した荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極に電圧を印加して前記工程で飛翔した前記構成物の中性分子に荷電粒子を付与する工程と、
前記工程で引き戻し電極に電圧を印加した後に引き出し電極に電圧を印加して、前記工程で荷電粒子が付与した前記構成物の中性分子を質量分析装置で検出して質量情報を取得する工程と、を有し、
前記一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と前記対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記引き戻し電極を設けることを特徴とする情報取得方法を提供する。
【００１４】
本発明の態様の一例として、前記引き戻し電極の形状を平板状、パラボラ状、または、リング状とすることが挙げられる。
【００１５】
本発明の態様の一例として、前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることが挙げられる。
【００１６】
また、本発明の態様の一例として、一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングを、０．１μ秒〜２０μ秒後とすること挙げられることができる。
【００１７】
本発明の態様の一例として、一次ビームのパルスと同時またはその後にプロトン制御電極前記引き戻し電極への電圧印加がなされ、さらにその後に、前記引き出し電極への電圧印加がなされることが挙げられる。
【００１８】
本発明の態様の一例として、前記装置が、前記一次ビームのパルスのタイミング、前記引き戻し電極への電圧印加のタイミング、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御する機構を備えることが挙げられる。
【００１９】
本発明の態様の一例として、前記構成物がタンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドのいずれかであることが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の情報取得装置における引き戻し電極、一次ビーム、基板、及び引き出し電極の空間的位置関係を示す断面図である。
【図２】本発明の情報取得装置における引き戻し電極を装備した試料ホルダーの平面図と正面図である。
【図３】（ａ）は実施例におけるプロトン制御電極への印加電圧と［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ」＋およびＡｕ８＋の規格化イオンカウント数との相関を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の代表的な印加電圧下におけるスペクトル である。
【図４】比較例における一次ビーム、基板、質量分析のための引き出し電極の空間的位置関係を示す断面図である。
【図５】（ａ）は比較例における基板垂直方向印加電圧と［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の規格化イオンカウント数の相関を示す図であり、（ｂ）は［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋およびＡｕ８＋の代表的な印加電圧下におけるスペクトルである。
【図６】本発明の情報取得装置における制御のタイミングの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明を図面を用いて説明する。
図１に本発明の情報取得装置の例を示す。図１では基板１３上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報が質量分析法を用いて取得される。対象物とは質量分析法で測定されるもの全てを指し、例として、高分子化合物、低分子化合物、有機化合物、無機化合物、生体、臓器、生体由来試料、組織切片、細胞、培養細胞、などをあげることができる。対象物を構成する構成物の例としては、有機化合物、無機化合物、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、などをあげることができる。質量分析法は、あらゆる質量分析法を用いることができるが、とりわけ、イオン化法 としてＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ、ＳＩＭＳ、ＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ、高速原子衝突）を採用し、分析部としては、飛行時間型、磁場偏向型、四重極型、イオントラップ型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型を採用するものをあげることができる。これらの質量分析方法においては、質量に関する情報（質量情報）は、質量を電荷で除した値における信号強度が得られる。本発明の情報取得装置は、図１に例示するように、一次ビーム２１を基板上の対象物に照射する機構を備え、この機構は、図示しないが、さらに、一次ビームを収束し、パルス化する機構を備えている。一次ビームとしては、イオンビーム、中性粒子ビーム、あるいはレーザービームなどをあげることができる。
本発明の情報取得装置の構成を図１に即して説明する。一次ビームの軌跡を一次ビーム軸２１とし、一次ビーム軸と該対象物表面が交わる点を中心点として、その中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、中心軸に対し一次ビーム軸２１と線対称をなす軸に対して３０度の角度で中心点から円錐状に広がる領域内に荷電粒子を試料方向に引き戻す力を及ぼすための引き戻し電極１９を備え、さらに、基板の上方に質量分析のための引き出し電極２０を備えている。なお、引き戻し電極は、中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上にあると検出感度向上効果が最も大きいので好ましい。引き戻し電極とは、プロトン等の荷電粒子の挙動を制御するための電界を生じさせることを目的として設置される電極のことをいう。プロトン等の荷電粒子が基板上の対象物から放出され飛翔する際には、放出の分布として一次ビームの入射方向に対し線対称の関係になる方向に放射角のピークを持つが、その際にある程度の広がりを持って放出される事が知られている。このとき、中心軸に対し一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で中心点から円錐状に広がる領域上に引き戻し電極を設ければ、基板と引き戻し電極との間に電圧を印加することにより、一次ビームの照射により生成した荷電粒子を試料方向に引き戻す力が有効に働くが、引き戻し電極を設ける位置がこの領域を外れるとそのような力が有効に働かない場合がある。このような位置に引き戻し電極を設けることにより、一次ビームによって生じた中性分子とプロトン等の荷電粒子との衝突が起こって中性分子に荷電粒子が付与され、構成物の検出感度が高くなる。なお、本発明のプロトン制御電極の例として、平板状、パラボラ状、及びリング状の電極をあげることができる。リング状等の中空の電極を用いる場合には、中空部分を含めた電極が上記の条件を満たせば良い。プロトン制御電極１９への電圧印加は、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加のいずれかが好ましく、この電圧印加により、プロトン制御電極１９と対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲となることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の情報取得装置は、質量分析のために二次イオンを加速することを目的として基板の上方に引き出し電極２０を備えている。
【００２３】
図には示さないが、本発明の情報取得装置は、一次ビーム２１のパルスのタイミング、引き戻し電極１９への電圧印加のタイミング、引き出し電極２０への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御するタイミング制御機構を備えている。これらの制御の一例を図６に示す。好ましくは、一次ビーム２１が対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、引き出し電極２０への電圧印加のタイミングが、０．１μ秒〜２０μ秒後であることが好ましい。また、一次ビームが対象物に到達すると同時またはその後に引き戻し電極に電圧が印加され、その後に引き出し電極へ電圧が印加されることが好ましい。
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。以下の具体例は本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる具体的形態に限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例では、上記「引き戻し電極」を、典型的な荷電粒子であるプロトンの挙動を制御する働きを有するという意味で「プロトン制御電極」と呼ぶ。
【００２４】
（実施例）「プロトン制御電極装備の試料ホルダー」の作製 プロトン制御電極を備えた試料ホルダーを作成し、これをＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置（ＩＯＮ−ＴＯＦ社製）に取り付けた。図２にプロトン制御電極１９を装備した試料ホルダー１１の平面図と正面図を示す。装置外部から±２００Ｖ程度の直流の電圧を印加できる陽極配線１４−１、陰極配線１４−２をそれぞれ配し、その配線の先端にプロトン制御電極１９および基板１３を接続した。それぞれの配線の一方は、装置外部においた安定化電源装置に接続した。このとき、配線１４、プロトン制御電極１９および基板１３の周りは絶縁板１２で覆うことでリーク電流を防止してある。
【００２５】
プロトン制御電極１９を絶縁支持棒１５に固定し、基板１３から放出され飛翔するプロトン１６を有効に捕獲できる位置に配置した。具体的には、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの場合、図２で示す基板１３の法線方向における左斜め４５度が一次ビーム２１の入射方向となるため、プロトン１６の多くは、図２で示す基板１３の法線から右斜め４５度の方向に放出され飛翔する。したがって、プロトン制御電極１９は、図２で示すように、基板１３の法線から右斜め４５度の軸上に、電極の中央が位置するように設置した。
【００２６】
この時、生成されたイオンが質量分析器２０に引き込まれることを妨げないように、また、プロトン制御電極１９が質量分析器２０に接触しないように、プロトン制御電極１９およびその支持棒１５のサイズや配置高さを調整することが望ましい。今回は、プロトン制御電極１９を試料からの高さが７ｍｍ（電極中央部）の位置になるように設置した。このとき、試料中央とプロトン制御電極１９中央との距離は１０ｍｍとなった。
【００２７】
今回使用した試料ホルダー１１は、１０ｍｍ×１０ｍｍに切り出した厚さ１ｍｍのテフロン（登録商標）板を絶縁板１２として用い、ネジで試料ホルダー１１上に固定した。その中央に２ｍｍ×２ｍｍに切り出した金蒸着シリコンウエハで構成される基板１３を両面テープで固定した。プロトン制御電極１９としてアルミ箔を５ｍｍ×５ｍｍに切り出し、厚紙を２ｍｍ×１０ｍｍ程度に切り出して作製した絶縁支持棒１５の上端に両面テープで貼り付けた。絶縁支持棒１５の下端を試料ホルダー上の絶縁板１２に固定した。
【００２８】
プロトン制御電極１９の裏面と基板１３に、それぞれ陽極配線１４−１、陰極配線１４−２の銅線を接続し、試料ホルダー１１に設置の外部電極導入端子へ通電接続した。この配線を用いて、プロトン制御電極１９に電圧を印加した際に生じる電界分布を二次元ＦＴＤＴ法（Finite-difference time-domain method：有限差分時間領域法）により算出し、その電気力線１７の方向を図１に破線で示した。また、その電界中を飛翔するプロトン１６の挙動を図１に示す。
【００２９】
「有機膜試料の情報取得」 質量数１６７２のペプチド分子Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ‐Ｉ（ＳＩＧＭＡ社）の水溶液１０μｇ／ｍＬを用意し、測定の試料とした。２ｍｍ×２ｍｍに切り出した金蒸着／シリコン基板上に、前記溶液０．５μＬを滴下して、大気下で風乾した。これを前記基板１３とした。その後、該基板１３を前記試料ホルダー１１上に装着して、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの測定をおこなった。
【００３０】
「ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定」 ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定には、ＩＯＮ−ＴＯＦ社製 ＴＯＦ−ＳＩＭＳIV型装置（商品名）を用いた。一次イオン：２５ｋＶ Ｇａ＋、２．４ｐＡ（パルス電流値）、ｓａｗｔｏｏｔｈスキャンモード一次イオンのパルス周波数：５ｋＨｚ（２００μｓ／ｓｈｏｔ）一次イオンパルス幅：約０．８ｎ秒一次イオンビーム直径：約０．８μｍ測定領域：２００μｍ × ２００μｍ２次イオンの測定点数：１２８×１２８点積算時間：１６回スキャン（約５２秒）二次イオン引き出し電極電圧：０、または、−２ｋＶ（切り替え可能）二次イオン引き出し電極と基板間の距離：１．５ｍｍ二次イオンの検出モード：正イオンプロトン制御電極と基板間の印加電圧：＋１６０〜−２０Ｖ（ＤＣ）プロトン制御電極と基板間の電圧印加時間：常時一次イオンビームの試料到達後、二次イオン検出の引き出し電極印加までの遅延時間：０．５μ秒 上記のように決定した測定条件に基づき、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定を実施した。
【００３１】
プロトン制御電極１９と基板１３との間にかかる電圧を−２０から＋１６０Vまで、２０Ｖおきに変化させて、試料位置を変えずに測定を行った。その後、測定位置を数回変えて、同様の測定を繰り返した。それぞれの測定で得られた試料分子［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋（ｍ／ｚ１６７３．２）、および、Ａｕ８＋（金の８量体イオン：ｍ／ｚ１５７５．９）のピーク面積強度（イオンカウント数）を総検出量（トータル・イオンカウント数）で規格化し、検出量とした。得られた検出量の平均値を、前記電圧値に対してプロットしたグラフを図３（１）に示す。ここで、プロトン制御電極への印加電圧がプロトン制御電極１９と基板１３との間にかかる電圧に相当する。このグラフよりわかるように、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖを超えたあたりより、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋H］＋の検出量が急激に増加する。このことは、（１）プロトン制御電極への印加電圧の増大により、基板１３より放出したプロトン１６が飛翔と逆方向に引き戻され、（２）遅い速度で飛翔してきた中性試料分子１８と衝突する機会が増える。その結果、試料分子へのプロトン付着が十分進行したと考えることができる。一方、Ａｕ８＋はプロトンを付着しない性質のイオンのため、その検出量は、プロトン制御電極への印加電圧値によらず一定の値になると考えられる。図３（１）に示した結果は、このような考えによって支持される。
【００３２】
ここで、プロトン制御電極への電圧印加時におけるプロトンの挙動について考察する。ＴＯＦ−ＳＩＭＳの一次ビーム照射により試料表面から放出されるプロトン１６の運動エネルギーは約１〜３０ｅＶの範囲にあることが知られている。これは、ＴＯＦ検出器にあるリフレクトロン機構で容易に知ることができる。この運動エネルギーを持って真空の電界中を飛行するプロトンの移動時間を考えたとき、本実施例の基板１３とプロトン制御電極１９との間に生じる１００Ｖ／１０ｍｍの電界下では、往復時間に約０．１から２μ秒が必要となる。ここで、二次イオン検出の引き出し電極印加の遅延時間を０．５μ秒としていることを合わせて考えると、（１）プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖ以下の場合は、プロトン１６の飛翔を抑えることができず、プロトン制御電極１９への衝突が生じている、（２）逆に、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖよりも十分に大きな場合は、試料分子へのプロトン付着が進行するが、生成したイオンが高電界により基板１３の方向に戻され、基板１３への衝突により電荷を消失してしまうと考えられる。実施例において、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖ以上１６０Ｖ以下の範囲で、試料分子へのプロトン付着が進行し、感度の向上が見られた。
【００３３】
以上を要約すると、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖより低い領域では、試料分子へのプロトン付着が十分でないため、感度の向上はみられない。また、プロトン制御電極への印加電圧が１００Ｖより高い領域では、試料分子へのプロトン付着は進行する。しかし、さらに印加電圧を高くすると上記の理由により、生成したイオンの電荷が消失してしまうと考えることができる。図（１）のグラフで示した、プロトン付着の試料分子検出量（［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋規格化イオンカウント数）の変化は、上述の現象を捉えたものであると考えられる。
【００３４】
(比較例) 基板１３に対して垂直方向に電界を加えた場合の試料分子の検出を比較実験としておこなった。この比較例では上記の実施例で用いたものと同じ、プロトン制御電極１９装備の試料ホルダー１１とペプチド分子Ｎｅｕｒｔｅｎｓｉｎ滴下の基板１３を用いた。ただし、プロトン制御電極１９に陽極配線１４−１は接続せず、基板１３に接続の陰極配線１４−２のもう一端を試料ホルダー１１に接続して用いた。これにより、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置に付属のサンプル・バイアス機構を使用して、基板１３の垂直方向に±２００Vまでの電圧を印加できる。このサンプル・バイアス機構を用いた電圧印加によって生じる電界を、二次元ＦＴＤＴ法により算出し、その電気力線１７の方向を図４に破線で示した。この図より判るように、電界は基板１３の垂直方向に印加される。また、その電界中を飛翔するプロトン１６の挙動を図４に示す。このようにして、比較例ではサンプル・バイアス電圧を０から−２００Ｖまで変化させて、基板１３の垂直方向に加わる電界を変化させた。
【００３５】
その他の条件は、上記の実施例を同様とし、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋、および、Ａｕ８＋の検出量（規格化イオンカウント数）を計測した。
【００３６】
その結果を図５（１）のグラフに示す。このグラフよりわかるように、サンプル・バイアス電圧の変化に対して、［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋とＡｕ８＋のどちらも、その検出量に大きな変化は見られなかった。
【００３７】
この結果は、垂直方向に電界を加えた場合でも、プロトン１６は基板１３の方向に引き戻されるが、中性試料分子１８と衝突する確率を大きく向上させることはできない、と解釈できる。図４に示したプロトン１６の挙動にあるように、垂直方向の電界では、試料分子へのプロトン１６付着を十分に進行させることができず、結果として、図５（１）のグラフで示したように、[Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ]＋の検出量に変化が生じないと考えられる。
【００３８】
（評価） 上記のように、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定において、試料ホルダー上に、プロトン制御電極１９を設置し、該電極と基板１３との間に電界を加えることで、試料分子へのプロトン付着を効率よくおこなうことができることを我々は見出した。また、この手法は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ測定など基板上の試料分子を検出する他の質量分析手法にも応用が可能である。その際、効率よくプロトンを捕獲するため、各分析装置に合わせた電極形状、配置構造を選択することが望ましい。例えば、各分析装置での放出プロトンのエネルギーに合わせた電界の印加量、試料と電極間の距離、プロトン制御電極の形状などの調整が望ましい。さらには、プロトン制御電極１９の形状を工夫することにより、より効率良くプロトン付着の試料分子イオンを検出できる。具体例を挙げると、プロトン制御電極１９にパラボラ状やリング状の電極を用いることで、生じる電界を試料表面のプロトン放出点に集中させることができる。これにより、さらに効率良く飛翔プロトン１６を中性試料分子１８と衝突させることが可能となる。
【００３９】
また、プロトン制御電極１９と基板１３との間に交流の電圧を印加してもよい。一次ビーム軸と線対称をなす軸方向に交流の電界を発生させることにより、プロトン１６を試料表面上空に捕獲保持でき、さらに効率良く飛翔プロトン１６を中性試料分子１８と衝突させることが可能となる。
【００４０】
特に高周波数の交流電圧を用いることで、飛翔プロトン１６と中性試料分子１８の衝突確率向上が見込まれることから、プロトン付着試料分子イオンの検出感度増加に一定の効果が望まれる。その場合、今回の実験で得られたプロトン１６の飛翔速度、および、挙動から鑑みて、交流電圧の周期は０．１から１０ＭＨｚの範囲が望ましい。
【００４１】
本発明により、イオン供給等の大掛かりな設備の必要もなく、試料分子にプロトンを付着させる確率を向上させることができるため、基板上の試料分子を感度良く検出できる。特に、プロトン制御電極を中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上に備えることで、例えば垂直方向に電界を加える場合と比較して、試料分子へのプロトン付着の効率を向上することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得装置において、
イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して基板上の対象物に照射する機構を備え、
該一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と該対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記一次ビームによって生じた荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極を備え、
引き出し電極を備えることを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
前記一次ビームのパルスのタイミング、前記引き戻し電極への電圧印加のタイミング、及び前記引き出し電極への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御するタイミング制御機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項３】
該引き戻し電極は、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上にあること特徴とする請求項１または２に記載の情報取得装置。
【請求項４】
前記引き戻し電極の形状が平板状、パラボラ状、またはリング状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項５】
前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項６】
前記タイミング制御機構が、一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングが０．１μ秒〜２０μ秒後となるように制御することを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項７】
前記タイミング制御機構が、一次ビームのパルスと同時またはその後に前記引き戻し電極への電圧印加がなされ、さらにその後に、前記引き出し電極への電圧印加がなされるように制御することを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項８】
前記構成物がタンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項９】
基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得方法において、
イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して前記対象物に照射して前記構成物の中性分子及び荷電粒子を飛翔させる工程と、
前記工程で一次ビームを対象物に照射すると同時又はその後に、飛翔した荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極に電圧を印加して前記工程で飛翔した前記構成物の中性分子に荷電粒子を付与する工程と、
前記工程で引き戻し電極に電圧を印加した後に引き出し電極に電圧を印加して、前記工程で荷電粒子が付与した前記構成物の中性分子を質量分析装置で検出して質量情報を取得する工程と、を有し、
前記一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と前記対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記引き戻し電極を設けることを特徴とする情報取得方法。
【請求項１０】
前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の情報取得方法。
【請求項１１】
一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングが０．１μ秒〜２０μ秒後となるように制御することを特徴とする請求項９または１０に記載の情報取得方法。
【請求項１】
基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得装置において、
イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して基板上の対象物に照射する機構を備え、
該一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と該対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記一次ビームによって生じた荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極を備え、
引き出し電極を備えることを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
前記一次ビームのパルスのタイミング、前記引き戻し電極への電圧印加のタイミング、及び前記引き出し電極への電圧印加のタイミングのそれぞれを制御するタイミング制御機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項３】
該引き戻し電極は、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸上にあること特徴とする請求項１または２に記載の情報取得装置。
【請求項４】
前記引き戻し電極の形状が平板状、パラボラ状、またはリング状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項５】
前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項６】
前記タイミング制御機構が、一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングが０．１μ秒〜２０μ秒後となるように制御することを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項７】
前記タイミング制御機構が、一次ビームのパルスと同時またはその後に前記引き戻し電極への電圧印加がなされ、さらにその後に、前記引き出し電極への電圧印加がなされるように制御することを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項８】
前記構成物がタンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項９】
基板上の対象物を構成する構成物の質量に関する情報を、質量分析法を用いて取得する情報取得方法において、
イオンビーム、中性粒子ビーム、及びレーザービームから選ばれる一次ビームを収束し、パルス化して前記対象物に照射して前記構成物の中性分子及び荷電粒子を飛翔させる工程と、
前記工程で一次ビームを対象物に照射すると同時又はその後に、飛翔した荷電粒子を試料方向に引き戻すための引き戻し電極に電圧を印加して前記工程で飛翔した前記構成物の中性分子に荷電粒子を付与する工程と、
前記工程で引き戻し電極に電圧を印加した後に引き出し電極に電圧を印加して、前記工程で荷電粒子が付与した前記構成物の中性分子を質量分析装置で検出して質量情報を取得する工程と、を有し、
前記一次ビームの軌跡を一次ビーム軸とし、該一次ビーム軸と前記対象物の表面が交わる点を中心点とし、該中心点を通り基板法線方向に延びる軸を中心軸としたときに、該中心軸に対し該一次ビーム軸と線対称をなす軸に対して３０度の角度で該中心点から円錐状に広がる領域内に前記引き戻し電極を設けることを特徴とする情報取得方法。
【請求項１０】
前記引き戻し電極への電圧印加が、直流の印加、または、周波数が０．1から１０ＭＨｚの範囲にある交流の印加、のどちらかであり、かつ、該電圧印加により、前記引き戻し電極と前記対象物との間に生じる電界の強さの絶対値の平均が１ｋＶ／ｍから２０ｋＶ／ｍの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の情報取得方法。
【請求項１１】
一次ビームが対象物に届くタイミングを「時間＝０」としたときに、前記引き出し電極への電圧印加のタイミングが０．１μ秒〜２０μ秒後となるように制御することを特徴とする請求項９または１０に記載の情報取得方法。
【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２０１１−２３７４１５（Ｐ２０１１−２３７４１５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７４１５（Ｐ２０１１−８７４１５）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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