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質量分析方法および質量分析装置
説明

質量分析方法および質量分析装置

【課題】試料の構成成分の平面分布を容易に測定可能な質量分析方法を提供する。
【解決手段】平面配置された複数のエミッタを用いて電界脱離イオン化法により試料のイオン化を行い、生成したイオンを質量分析する質量分析方法であって、平面配置された複数のエミッタに試料の測定面を対応させ、各エミッタ上に当該試料の対応部分が配置されるように試料を設置する工程と、これらのエミッタを独立に駆動し、順次、電界を生じさせ、これに応じて試料の各エミッタに対応する部分をイオン化する工程と、イオン化により生成したイオンを、そのイオンの生成のために駆動したエミッタに対応させて質量分析する工程を有する質量分析方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電界脱離イオン化法を利用した質量分析方法および質量分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
有機物の平面分布を分析する技術は有機材料評価において重要であり、例えば有機物の固有の赤外吸収を利用した、IRイメージングなど各種の分光イメージング技術がある。また、細胞や組織などの生体試料においては、その中に含まれる生体物質の空間的な分布をスキャニング、イメージングし、その位置情報を獲得することは、極めて重要である。
【0003】
有機分子を同定する上で、質量分析は広く利用されている。そのイオン化法としては、エレクトロスプレーイオン化(ESI)、大気圧イオン化(API)、大気圧化学イオン化(APCI)、大気圧フォトイオン化(APPI)、レーザー脱離イオン化(DPI)、高速原子衝撃(FAB)が挙げられる。また、液体二次イオン質量分析(LSIMS)、電界脱離(FD)、電子衝撃(EI)、化学イオン化(CI)、マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)、飛行時間型二次イオン化(TOF−SIMS)などが知られている。
【0004】
質量分析技術を用い、得られた分子量情報により有機物の平面分布を分析する方法として、マトリクス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)質量分析装置を用いる方法が挙げられる。MALDIは、タンパク質などのイオン化しにくい分子をイオン化して質量分析ができる点で有用性が高い。MALDIにおいては、試料にイオン化を促進するためのマトリックス剤を加え、レーザー光により分子をイオン化する。MALDIにより脳細胞切片のイメージングを行った例が知られている(非特許文献1〜5)。
【0005】
また、測定対象物の分子量情報の空間分布をイメージングする技術として、飛行時間型二次イオン化(TOF−SIMS)質量分析装置が広く用いられている。この質量分析装置は、高真空中で、高速のパルスイオンビーム(一次イオン)を固体試料表面に照射し、この照射により生じる表面の構成成分の正または負の電荷を帯びたイオン(二次イオン)を検出し、その分子量情報を得るものである。一次イオンビームを走査することによって、試料表面のイオン像(マッピング)を測定することができる。
【0006】
質量分析法におけるイオン化法の一つに電界脱離イオン化法があり、このイオン化法を用いた質量分析法を電界脱離イオン化質量分析法(FD−MS)と言う。FD−MSは、試料が付与されたエミッタに対して強電界を掛けることで試料分子がイオン化し、このイオンとエミッタ間の正電荷反発でイオンが脱離する。
【0007】
図1に、一般的な電界脱離イオン源を備えた二重収束型の質量分析装置を模式的に示す。同図においてエミッタ100は、直径数十マイクロメータのタングステン線上に無数の細かいひげ(ウィスカ)を密生させたものである。このエミッタ100と対向電極101の間に10kV程度の高電圧を加えるとウィスカ先端に強い電場が発生し、エミッタ100に電流を通じてイオン化が行われる。発生したイオンは、セクター磁石104を通じて質量分離され、検出器106をもって質量スペクトルが得られる。FD−MSイオン源ではエミッタ100に塗布した難揮発性分子を直接イオン化することができ、さらに強い分子イオンピークを観測できる特長がある。そのため、有機物の分子量決定には有効なイオン化法である。またマトリックス剤のような外部からの添加剤は必要としない。
【0008】
一方、エミッタを平面的に二次元配置し、エミッタを電子放出源として利用したものに電界放出ディスプレイ(FED)が挙げられる。FEDは、一画素に対応した部分に、エミッタとこのエミッタに対向するように配設されたアノード電極及び蛍光体とを有し、この一画素がマトリクス状に形成されることによりディスプレイが構成されている。エミッタから真空中に電子を放ち、蛍光体に衝突させて発光させる。このエミッタは、微小な突起形状を有し、画素と同じ数だけ格子状に配置され、向かい合って配置された蛍光体に向けて電子を発射する。平面状に二次元配置されたエミッタは順次、位置選択的にエミッタから電子放出させることができる。
【0009】
この電界放出装置において、エミッタは、例えば、タングステン、モリブデン等からなり、細孔から露出するカソード電極上に略円錐形に形成される。その底面でカソード電極と電気的に接続されている。また、カーボンナノチューブを電子放出源として平面的に二次元配置することが提案されている(例えば特許文献1)。
【非特許文献1】Caprioli,R.M.et al.,Anal.Chem.,1997、69、4751−4760
【非特許文献2】Stoeckli,M.et al.,J.Am.Soc.Mass Spectrom,1999,10,67−71
【非特許文献3】Chaurand,P.et al.,Anal.Chem.,1999,71,5263−5270
【非特許文献4】Stoeckli,M.et al.,NATURE MEDICINE,2001、7、493
【非特許文献5】Stoecle,R.et al.,Anal.Chem.,2001年、73巻、p1999−1402
【特許文献1】特開平10−149760号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
前述したように、細胞や組織といった生体試料等における有機物の平面分布(位置情報)を分析する技術は有機材料評価において重要であり、より優れた分析技術が求められている。
【0011】
有機分子を同定することが可能な質量分析方法では、分子の質量情報から高感度、高精度な情報が得られるため、イメージング測定へ適用されている。なかでも、MALDIはタンパク質などのイオン化しにくい分子をイオン化して質量分析ができる点で、有用性が高いものである。このMLDIによる測定においては、試料に対しイオン化を促進するためのマトリックス剤を加え、レーザーを照射して分子をイオン化している。しかし、MALDIを利用する場合、測定試料とマトリックス剤との混合が必須となるという煩雑さがある。
【0012】
また、TOF−SIMSは、試料表面に分布する分子量情報をイメージング測定することができる。しかし、非常に強いエネルギーのイオンで試料をスパッタするため、分子が破壊され、試料の高分子量情報が得られ難い。
【0013】
本発明の目的は、試料の構成成分の平面分布を容易に測定可能な質量分析方法および質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明によれば、平面配置された複数のエミッタを用いて電界脱離イオン化法により試料のイオン化を行い、生成したイオンを質量分析する質量分析方法であって、平面配置された複数のエミッタに試料の測定面を対応させ、各エミッタ上に当該試料の対応部分が配置されるように試料を設置する工程と、前記エミッタを独立に駆動し、順次、電界を生じさせ、これに応じて試料の各エミッタに対応する部分をイオン化する工程と、前記イオン化により生成したイオンを、該イオンの生成のために駆動したエミッタに対応させて質量分析する工程を有する質量分析方法が提供される。
【0015】
また本発明によれば、平面配置された複数のエミッタを備え、各エミッタが独立に駆動可能であり、試料の電界脱離イオン化を行うイオン化部と、前記イオン化部において生成したイオンを質量分離し、質量分離されたイオンを検出する質量分析部を有する質量分析装置が提供される。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、試料の構成成分の平面分布を容易に測定可能な質量分析方法および質量分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明は、電界脱離イオン化法を利用して試料のイオン化を行い、生成したイオンを質量分析する方法であって、試料の構成成分の平面分布状態をイメージング検出可能な質量分析方法、およびその方法に用いられる質量分析装置を提供できる。
【0018】
本発明において、電界脱離イオン化に寄与するエミッタは、平面配置(二次元配列)されている。例えば、これらのエミッタは、隣接するエミッタ間の間隔を等間隔にし、マトリックス配置することができる。
【0019】
これらのエミッタに試料の測定面を対応させ、各エミッタ上に当該試料の対応部分が配置されるように二次元的に試料を設置する。例えば、これらのエミッタ上に試料の薄膜を接触設置したり、あるいは各エミッタ上に試料の対応部分を転写することにより試料を設置することができる。
【0020】
試料のイオン化は、これらのエミッタを独立に駆動させ、位置選択的に順次、電界を生じさせ、これに応じて試料の各エミッタに対応する部分を局所的に電界脱離させることにより行われる。
【0021】
このイオン化により生成したイオンは、質量分析部において質量分離され、検出される。イオンの検出を、当該イオンの生成のために駆動したエミッタに対応させて行うことで、イオンの識別とともに、エミッタの位置に対応した測定成分の位置情報を得ることができる。すなわち、各エミッタの位置と、各エミッタに対応するイオンの質量分析結果から、イオンの分子量情報とともに、試料の測定面における測定成分の二次元分布情報を得ることができる。結果、試料の測定面における特定構成成分の二次元分布状態の検出(イメージング)を行うことができる。
【0022】
また、本発明においては、電界脱離イオン化法によりイオン化を行っているため、測定成分を破壊することがなくイオン化でき、試料の高分子量情報が得やすい。
【0023】
このような質量分析方法は、平面配置された複数のエミッタを備え、各エミッタが独立に駆動可能であり、試料の電界脱離イオン化を行うイオン化部と、このイオン化部において生成したイオンを分析する質量分析部とを有する質量分析装置を用いて実施できる。この質量分析部は、イオン化部において生成したイオンを飛翔させ質量分離する質量分離部と、質量分離されたイオンを検出する検出部を有する。
【0024】
図2に、本発明におけるイオン化を行うイオン化部の構成を模式的に示す。
【0025】
図2に示すように、基板200上にアノード電極201が形成され、このアノード電極201の上に絶縁層202が積層されている。基板200としては、石英ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、青板ガラス等のガラス基板、シリコンウェハ、表面に絶縁層が設けられた積層板を用いることができる。積層板としては、表面にSiO2などの絶縁膜が設けられたシリコン基板、表面にSiO2などの絶縁膜が設けられたステンレス板、表面にバリア型の陽極酸化膜が設けられたアルミニウム板が挙げられる。
【0026】
絶縁層202にはアノード電極201へ貫通する細孔203、205が設けられ、これらの細孔内にそれぞれエミッタ204、206が形成されている。細孔内の各エミッタは共通のアノード電極上に形成されている。エミッタは、一般的なエミッタ材料からなるものを用いることができる。例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、金、銀、銅、ガリウム、ヒ素、コバルト、炭素、ケイ素およびこれらを含む混合物から選択される材料からなるものを用いることができる。
【0027】
エミッタ材料として、金は、耐熱性があり、王水によって溶解されるので、エッチングしたり電極を鋭端化したりすることが容易にできる。また、金からなるエミッタは、その表面が硫黄原子に対して大きな化学吸着力を有するため、試料分子をエミッタに密着させやすい。さらに、表面を化学修飾させることによって、測定試料に含有される成分分子を配位、結合もしくは吸着によってエミッタ表面に効率的に密着させることができる。
【0028】
エミッタ材料として、ダイヤモンドは、非常に尖鋭な先端を持つダイヤモンド突起のエミッタを作製することができ、ダイヤモンドの決められた位置に配置、配列することもできる。さらにダイヤモンドは、表面を化学修飾させることによって、測定試料に含有される成分分子を配位、結合もしくは吸着によってエミッタ表面に効率的に密着させることができる。
【0029】
エミッタ材料として、シリコンは、反応性イオンエッチング(RIE)と熱酸化を組み合わせた方法で非常に尖鋭な先端を持つエミッタを形成することができる。また、表面を化学修飾させることによって、測定試料に含有される成分分子を配位、結合もしくは吸着によってエミッタ表面に効率的に密着させることができる。
【0030】
エミッタは、できる限り高い電界強度を得ることができるように先端部が鋭端化しているものが望ましい。例えば、図2に示すような円錐形状を有するものであってもよいし、図3に示すようにカーボンナノチューブ208のように極めて細いワイヤ状のものであってもよい。
【0031】
各々のエミッタの間は絶縁体によって区画される。各々のエミッタの間隔によって二次元分布状態のイメージングの空間分解能が決定される。各々のエミッタの間隔は1mm以下に設定することができ、空間分解能の点から、100μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましく、5μm以下が特に好ましい。エミッタの個数は特に限定されるものではないが、例えば1000個以上を設けることができ、測定性能の点から、10000個以上を設けることが好ましい。エミッタの個数とエミッタ間の間隔により、測定可能な測定対象試料の大きさ、測定対象試料の質量情報分布の空間分解能が決定される。
【0032】
図2に示す構成において、試料はエミッタ204の先端上部に密着されて配置され、この試料の上方近傍に対向電極207が配置される。試料は、例えば分析対象物自体が非導電性の有機薄膜である場合はそのままエミッタ204、206上に密着させて配置できる。その際、薄膜の厚さは薄いものが望ましい。測定対象である薄膜の厚さが厚い場合は、適宜、ミクロトーム等を用いて薄片化して用いることができる。薄膜試料の厚さは1mm以下に設定することができ、100μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましく、1μm以下が特に望ましい。生体組織のような生体サンプルであっても薄片化することにより、エミッタの先端に配置して測定できる。
【0033】
ポリイミドのような絶縁性の薄膜を用いて調製した薄膜試料を測定することもできる。例えば、絶縁性薄膜に試料表面を接触させ、この薄膜上に分析対象分子を転写、固定し、得られた薄膜試料をエミッタ204、206上に配置して測定できる。この場合、絶縁性薄膜の表面を修飾して、分析対象物質を転写、固定することもできる。具体的には、絶縁性薄膜表面に分析対象分子を化学的に吸着あるいは結合させられる置換活性な官能基を導入することができる。例えば、アミノ基を導入し無水コハク酸と反応させカルボキシル基を導入したり、N−ヒドロキシスクシンイミドエステルに変換させたり、マレインイミド基を導入することが挙げられる。絶縁性薄膜の材料としては、ポリイミドの他、ナイロン、ポリアクリルアミド、アガロース、蛋白質等のポリマーを用いることができる。このような方法に代えて、二次元的に配置されたエミッタの表面を、直接、上記で示した置換活性な官能基を用いて表面修飾し、付加的な共有分子層を形成することもできる。この分子層を介して、エミッタ表面に分析対象分子を転写、固定することができる。
【0034】
図4(a)に、本発明における質量分析装置全体を模式的に示す。図4(b)は、イオン化部400を部分的に拡大した模式的断面図であり、図2に対応する。なお、ここでは、説明の便宜上、符号400の部分をイオン化部と称し、対向電極に別の符号101を付している。
【0035】
質量分析部401は、例えば図4(a)に示すように、イオン化により生成したイオンを質量分離する部分が二重収束型ものを用いることができる。二重収束型の質量分離部を有する質量分析部は、ソフトイオン化法が発達するにつれて主流となってきている。イオン化室402内において上述のようにしてイオン化部400上に試料が配置され、イオン化された試料分子は加速電圧により加速され、一様に扇型磁場が印加されたセクター磁石104内へ導かれ、磁場に垂直な平面内で運動するイオンが観測される。試料分子イオンは、加速電圧を一定とし、セクター磁石104によって与えられる磁場の磁束密度を0から順次大きくすることで、質量の小さいイオンから順次磁場を通過し、スリット105を通り、検出器106で検出され、結果、質量スペクトルが得られる。
【0036】
一方、近年進歩している飛行時間分析型の質量分離部を有する質量分析部は、加速電圧を受けたイオンがその質量に応じた時間で飛行することを利用したものである。この質量分析部では、ある一定の距離におかれた検出器に時間の関数として到達イオン量が受信され、質量スペクトルとして観測され、高感度、高分解能な測定が可能である。
【0037】
図4においては、二重収束型の質量分離部と検出部(検出器106)を有する質量分析部を示したが、代わりに飛行時間分析型、四重極型、イオントラップ型、タンデム型、イオンサイクロン型の質量分離部と検出部を有する質量分析部を用いてもよい。
【0038】
本発明による質量分析装置は、図2に示すようにイオン化部(イオン源)がエミッタを複数有し、これらのエミッタは平面配置され、例えばマトリックス駆動によって独立に駆動することができ、目的のエミッタを確実に作動させることができる。したがって、図5に示したようにエミッタに対して平面的に配置された試料は、各エミッタ付近で局所的に電界脱離し、イオン化される。そして、エミッタの駆動に合わせて、質量分析部にイオンが導入され質量分析が行われる。結果、局所的に駆動されたエミッタの位置とその位置で得られた質量スペクトル情報が得られる。平面状に二次元配置された個々のエミッタに対し、同様に情報を取得し、画像構成することにより、試料に含まれる有機物成分の質量情報の二次元分布をイメージングすることができる。
【実施例】
【0039】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【0040】
本実施例におけるイオン化部は、図2に示すように、スピント型のエミッタ群から構成される。図6に、イオン化部のエミッタ群を上から見た平面レイアウトを示す。図2に示すエミッタ204、206に代表されるエミッタ群は、図6に示すように、2次元マトリックス状に配列される。図2に示すように、各エミッタは、アノード電極201に電気的に接続され、絶縁膜202の細孔203内に設けられ、細孔の開口部から露出している。アノード電極201は、シリコン半導体基板上に形成された絶縁膜の上に設けられており、タングステンシリサイド(WSi2)から形成される。エミッタは、モリブデン(Mo)から形成される。エミッタの底部の直径は、0.7〜1.0μm程度である。また、隣接するエミッタ間の距離は、約10μmである。
【0041】
上記イオン化部は以下のようにして作製できる。表面に絶縁膜が形成されたシリコン基板200上にアノード電極201を形成した後、SiO2からなる絶縁層202をCVD法により堆積させる。次に、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、絶縁層202からアノード部201へ貫通する細孔203を形成する。このとき、細孔内の底部にアノード電極201が露出する。次に、アルミニウムを斜め蒸着した後に、モリブデンを垂直蒸着して細孔内のアノード電極201上にモリブデンからなる円錐形状のエミッタ204を形成する。その後、アルカリ溶液を用いたリフトオフ法により、絶縁層202上に堆積したモリブデン及びアルミニウムを除去する。
【0042】
測定試料は、例えば生体組織を凍結後薄片化し、真空下乾燥させたものを用いる。図5に示すように、得られた試料薄片をイオン化部のエミッタ群上に密着配置させる。図4のように、イオン化部400はイオン化室402に収容され、高真空下に置かれる。
【0043】
イオン化部400の二次元的に平面配置されたエミッタを順次、独立に駆動し、電界を生じさせ、イオン化部400上に配置された生体組織薄片を局所的にイオン化し、生成したイオンを質量分析部401で質量分離し、検出する。例えば、エミッタ群の一つのエミッタに高電界を生じさせ、試料薄片の対応部分を局所的にイオン化することで、図7に示すような質量スペクトルが得られ、例えば幾つかの質量ピーク1000、1001、1002が観測される。図7において、横軸は分子イオンの分子量を電荷で割ったもの、縦軸はピーク強度である。同様にして、エミッタ群の他のエミッタに高電界を生じさせ、試料薄片の対応部分を局所的にイオン化することで、図8に示すような質量スペクトルが得られ、例えば幾つかの質量ピーク1000、1001、1002が観測される。全てのエミッタについて同様の操作を行うことで、エミッタの位置座標(図9)に対し、それぞれの質量スペクトルが得られる。そして、注目する特定の質量数に対応するピーク、例えば図7中のピーク1000を選択し、エミッタの位置座標にしたがってイメージ画像として再構成する。結果、図10に示すように、分子量情報と位置情報から、生体組織薄片に含まれる特定成分の二次元分布状態のイメージ情報を得ることができる。図10において、円形ドットの面積はピーク1000の強度に対応している。
【0044】
本発明によれば、試料にマトリックス等の添加剤を添加することなく、直接、試料の含有成分の分布情報を、質量情報を用いてイメージングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】一般的な電界脱離イオン化質量分析装置の模式図。
【図2】本発明の実施に適したイオン化部構成の一例を模式的に示した図。
【図3】本発明の実施に適したイオン化部構成の他の例を模式的に示した図。
【図4】本発明の実施に適した質量分析装置の構成の一例を模式的に示した図。
【図5】本発明の実施に適したイオン化部に試料を配置した状態を模式的に示した図。
【図6】図2に示す構成に対応する模式的に示した平面図。
【図7】図2に示す構成の特定のエミッタ204に電界を発生させた場合に得られる質量スペクトル図。
【図8】図2に示す構成の他の特定エミッタ206に電界を発生させた場合に得られる質量スペクトル図。
【図9】図2に示す構成おいて平面配置されたエミッタ群の位置座標を示した図。
【図10】本発明による質量分析によって得られた特定分子量成分のピーク強度分布を表した図(イメージング図)。
【符号の説明】
【0046】
100 エミッタ
101 対向電極
102 収束電極
103 スリット
104 磁石
105 スリット
106 検出部
107 スリット
108 エミッタ支持部
200 基板
201 アノード電極
202 絶縁膜
203、205 細孔
204、206、209 エミッタ
207 対向電極
208 カーボンナノチューブ
400 イオン化部
401 質量分析部
402 イオン化室
500 試料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
平面配置された複数のエミッタを用いて電界脱離イオン化法により試料のイオン化を行い、生成したイオンを質量分析する質量分析方法であって、
平面配置された複数のエミッタに試料の測定面を対応させ、各エミッタ上に当該試料の対応部分が配置されるように試料を設置する工程と、
前記エミッタを独立に駆動し、順次、電界を生じさせ、これに応じて試料の各エミッタに対応する部分をイオン化する工程と、
前記イオン化により生成したイオンを、該イオンの生成のために駆動したエミッタに対応させて質量分析する工程を有する質量分析方法。
【請求項2】
各エミッタの位置と、各エミッタに対応するイオンの質量分析結果から、試料の測定面における測定成分の二次元分布情報を得る請求項1に記載の質量分析方法。
【請求項3】
前記の複数のエミッタは、隣接するエミッタ間の間隔が等間隔であり、マトリックス配置されている請求項1又は2に記載の質量分析方法。
【請求項4】
平面配置された複数のエミッタを備え、各エミッタが独立に駆動可能であり、試料の電界脱離イオン化を行うイオン化部と、
前記イオン化部において生成したイオンを質量分離し、質量分離されたイオンを検出する質量分析部を有する質量分析装置。
【請求項5】
前記の複数のエミッタは、隣接するエミッタ間の間隔が等間隔であり、マトリックス配置されている請求項4に記載の質量分析装置。

【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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【公開番号】特開2008−249389(P2008−249389A)
【公開日】平成20年10月16日(2008.10.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−88474(P2007−88474)
【出願日】平成19年3月29日(2007.3.29)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】