質量分析用のイオン源
イオン源、イオンを形成する方法、および質量分析計システムが提供される。本教示はさまざまな実施例において、イオン源、イオン源からイオンを集束させる方法、および飛行時間型質量分析計を操作する方法を提供する。本教示はさまざまな実施例において、質量分析計とともに使用する場合の、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源およびＭＡＬＤＩイオン源の操作方法に関連する。さまざまな側面において、複数の操作モードが構成されるＴＯＦ質量分析計の感度と分解能のうち１つ以上の向上を促進するイオン源およびその操作方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６０／６５１，５６７号（２００５年２月９日出願）および米国特許出願第１１／１２９，６５８号（２００５年５月１３日出願）の利益および優先権を主張し、これら出願の全開示は、参照により本明細書に引用される。
【背景技術】
【０００２】
（導入）
マトリックス支援レーザー脱離イオン化（Ｍａｔｒｉｘ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：ＭＡＬＤＩ）技術の開発は、質量分析計によって研究できる生体分子の範囲を大きく広げた。ＭＡＬＤＩ技術によって、通常、不揮発性分子をイオン化させて、分析に好適な、気相状態にある完全な分子イオンを生成することができる。ＭＡＬＤＩ機器のうちの１つの種類（生体分子の研究において特定の用途が見出されている）には、ＭＡＬＤＩタンデム飛行時間型質量分析装置があり、以降、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ／ＭＳ機器と称する。
【０００３】
従来のタンデム質量分析機器（ＭＳ／ＭＳ）では、直列の多重質量分離器を使用している。ＭＳ／ＭＳ機器を使用して、例えばタンパク質の配列のような構造的情報を特定することができる。従来のＭＳ／ＭＳ技術では、第一の質量分離器（しばしば質量分析の第一の次元と称する）を使用して、選択された質量電荷（ｍ／ｚ）範囲にある分子イオン（しばしば「親イオン」または「前駆イオン」と称する）をイオンフラグメンター（例、衝突セル、光解離領域など）に送ってフラグメントイオン（しばしば「娘イオン」と称する）を生成し、第二の質量分離器（しばしば質量分析の第二の次元と称する）を使用してそれらの質量スペクトルを得る。
【０００４】
飛行時間型（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）質量分析装置は、イオンの電荷に対するイオンの質量の割合に基づいてイオンを識別し、しばしばｍ／ｚと略記される。従来のＴＯＦ技術は、異なる質量電荷比（ｍ／ｚ）のイオンは、それらが全て同じ電場に曝されると、異なる速度に達するという事実に依存しており、その結果、イオンが検出器に到達する時間（イオン到着時間または飛行時間と呼ばれる）は、イオン質量を代表するものとなる。理論的には、所与の質量電荷比の各イオンは、一意の到着時間を有するはずである。その結果、質量が異なるイオンの混合物は、それぞれが異なるイオン質量に対応する到着時間信号のスペクトルを生成するはずである。当該のスペクトルは、一般的に到着時間スペクトル、または単純に質量スペクトルと称される。しかし、実用上は、正確な結果を得ることは容易ではなく、分析に要求される正確さが増すほど、そのタスクがより困難になる。
【０００５】
ＭＡＬＤＩ質量分析装置の複数の操作構成（生体分子の研究において特定の用途が見出されている）には、線形飛行時間型（「ＴＯＦ」）質量分析装置、リフレクトロンＴＯＦ質量分析装置、およびタンデムＴＯＦ質量分析装置があり、以降、ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ機器と称するこれらの構成のそれぞれには、例えば、対象となる生体分子、研究の内容などに依存して、それ自体の利点と不利点がある。したがって、調査者がある操作モード（例、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）から別のモードに切り替えることができるように構成された市販の機器が存在する。
【０００６】
操作モードを切り替えることができる機器が存在するが、ある操作モード（例、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）に良好な分解能および感度を提供する前記機器の構成および操作条件によって、他の操作モードに対する分解能および感度が著しく悪化する可能性がある。その結果、従来の機器では、しばしば、これら３つの操作モードのうちの少なくとも１つの解像度および／または感度を備え、３つ全てのモードにおいて許容可能な分解能および感度を有する機器を提供しなければならない。
【０００７】
質量分析計を用いた多くの生体分子研究（例、プロテミオクス研究など）では、対象となる生体分子の質量が２桁以上にわたることが容易にありうる。加えて、多くの生物学的研究では、研究に利用可能な試料（例、希少タンパク質、法医学的試料、考古学的試料など）の量が制限される。
【０００８】
タンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）では、一般的に、イオンがイオンフラグメンター、例えば衝突セルに入る前に、イオンの衝突エネルギーを制御することも望まれる。一般に、これは、ＴＯＦ／ＴＯＦタンデム質量分析計において、最初に、第一のＴＯＦ領域（ＭＳの第一の次元）から初期のエネルギーまでイオンを加速して、次に、衝突セルの入口での電位を調整してイオンを所望の衝突エネルギーとなるまで減速させることによって行われる。通常、衝突セルに従った第二のＴＯＦ領域への良好な集束を提供する、単一の衝突エネルギーに対するイオン光学システムの最適化は容易であるが、イオン伝送効率およびそれによる機器の感度を損なわずに、衝突エネルギーの範囲にわたって第二のＴＯＦ領域に良好な集束を提供する、イオン光学システムを提供することは極めて困難である。
【０００９】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ／ＭＳ機器はまた、有用な操作のための無数の構成要素の正確な調整および相互作用を必要とする、非常に複雑な機械にもなりうる。質量分析では、イオンの集束、加速、減速、操作、および選択のためのイオン光学を必要とする。これらのずれ、およびそれらの電場における不均一性は、質量分析機器の性能を著しく低下させる可能性がある。イオン光学素子は、互いに、また機器の他の構成要素に対して、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に正に配置される。配置されると、イオン光学素子の以降の動作が、機器の性能を著しく低下させる可能性がある。例えば、ある要素を、機器の調整後に移動した場合、その機器の質量精度、感度、および分解能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１０】
従来のイオン光学スタック組立体では、可能な場合に治具を使用して、光学をねじ付き締結具で適所に固定した後に、イオン光学素子を配置していた。例えば、一連の光学要素を、組立治具を使用したり、自動調整機能を使用するなどして積層し、端板をスタックの端部を覆うようにボルトで固定し、前記ボルトを締め付けて光学要素を端版で圧迫してスタックを固定する。加えて、当該の従来の組立方法では、ボルトを特定のパターンおよび特定のトルクで締め付け、例えばワーピングせずに、イオン光学素子を適切に調整する組立者をしばしば必要とする。しかし、当該の手順は、時間がかかり、それを実行するための熟練した組立者が必要になる可能性がある。加えて、（例えば、感度を向上させるため、機器の大きさを減じるため、などで）機器の調整の許容範囲が狭くなると、次第に肉眼ではずれが認識できなくなり、熟練していない組立者によるずれの検出がより困難になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（概要）
本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器、機器の構成要素、およびその操作方法に関する。さまざまな側面において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器は、ＭＳ／ＭＳ機器の役目を果たし、動作することができる。さまざまな実施例において、感度の向上、分解能の向上、動的質量範囲の増加、試料支持部のスループットの向上、および操作の中断時間の低減のうちの１つ以上を促進する、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器、およびＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器の１つ以上の構成要素を操作する方法が提供される。
【００１２】
さまざまな側面において、本教示は、試料イオンを提供するためのシステム、試料イオンを提供するための方法、試料支持部処理機構、イオン源、遅延引き出しイオン源からのイオンを集束させるための方法、飛行時間型質量分析計を操作するための方法を提供する。
【００１３】
さまざまな側面において、本教示は、試料イオンを提供するためのシステム、試料イオンを提供するための方法、試料支持部処理機構、イオン源、遅延引き出しイオン源からのイオンを集束させるための方法、飛行時間型質量分析計を操作するための方法、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させるための方法、イオン光学組立部を操作するための方法、イオン光学組立部、および本教示のイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するための方法、のうちの１つ以上を備える質量分析計を提供する。
【００１４】
（試料処理機構）
さまざまな側面において、本教示は、質量分析計のための試料支持部処理機構に関する。さまざまな実施例において、試料支持部は、プレート（例、３．４インチ×５インチ）、マイクロタイターサイズのＭＡＬＤＩプレートなどを備える。本教示の試料支持部処理機構は、試料支持部移動機構部と、試料支持部変更機構部とを備え、試料支持部処理機構は、真空密閉チャンバー内に配置される。
【００１５】
さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、実質的に平坦な前面と、左アームと、右アームとを有する基礎部材を備え、これらのアームは、前記前面に実質的に垂直に、前記前面からＸ方向に延在し、前記前面に実質的に平行に、互いにＹ方向に隔設され、その距離は、それらの間に試料支持部を収めるに十分である。左アームおよび右アームは、それぞれベアリング支持部構造を有する。さまざまな実施例において、左アームおよび右アームのそれぞれは、両アーム間の距離よりも短い距離で、他方のアームに向かってＹ方向に延在する保持突起部を有する。
【００１６】
さまざまな実施例において、試料支持部は、フレーム部材内に保持される。本教示では、詳細な処理（例、取り込み、係合、解放など）および試料支持部のレジストレーションは、フレーム部材に保持される試料支持部に等しく適用可能であり、例えば、試料移動および変更機構のさまざまな構造が、フレーム部材と直接接触し、そこに保持される試料支持部と必ずしも直接接触するわけではない、ということを理解されたい。
【００１７】
さまざまな実施例において、試料支持部は、米国特許第６，８４４，５４５号および第６，８２５，４７８号（これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる）に記載されているようなフレーム上に保持される。さまざまな実施例において、フレーム部材は、周辺陵部を有し、これは、例えば、本教示の試料変更機構の取り込み機構の周辺の少なくとも一部を係合（例、スリップオーバー）して、例えば、変更機構の非装着領域における試料支持部の保持を促進することができる。
【００１８】
試料支持部移動機構は、左アームと右アームとの間に位置する係合部材をさらに備え、第一の位置では、係合部材は、基礎部材の前面によって試料支持部の前面をレジストレーションに付勢し、試料支持部の前面をＺ方向（Ｚ方向は、実質的にＸおよびＹ方向の両方に対して垂直である）におけるレジストレーションに付勢するように構成され、左右のベアリング支持部構造は、第一の位置において、試料支持部の後端をＺ方向におけるレジストレーションに付勢する。
【００１９】
さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、左カム構造、右カム構造、および左右のカム構造の間に配置される中央カム構造の、３つのカム構造を備える。左および中央カム構造間が試料支持部装着領域であり、中央および右カム構造間が試料支持部非装着領域である。
【００２０】
試料支持部装着領域は、係合部材を第二の位置に付勢することができる第一の解放部材と、試料支持部を前面および左アームに対して付勢することができるレジストレーション部材とを備える。左カム構造は、（ａ）左アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、左アームベアリング支持部構造を第二の位置に付勢すること、および（ｂ）レジストレーション部材を係合して、レジストレーション部材が前面および左アームに対して試料支持部を付勢させること、ができる。中央カム構造は、右アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、右アームベアリング支持部構造を第二の位置に付勢することができるので、係合部材、左アームベアリング支持部構造、および右アームベアリング支持部構造が、それぞれの第二の位置にあるときに、試料支持部移動機構は、試料支持部移動機構の右および左アーム間に試料支持部を係合することができる。
【００２１】
試料支持部非装着領域は、係合部材を第三の位置に付勢することができる第二の解放部材と、試料支持部移動機構から解放された後に、試料支持部非装着領域内に試料支持部を保持するように構成した試料支持部取り込み機構とを備える。中央カム構造は、左アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、左アームベアリング支持部構造を第三の位置に付勢することができ、右カム構造は、右アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、右アームベアリング支持部構造を第三の位置に付勢することができるので、係合部材、左アームベアリング支持部構造、および右アームベアリング支持部構造が、それぞれの第三の位置にあるときに、試料支持部移動機構は、試料支持部移動機構の右および左アーム間に試料支持部を係合することができる。
【００２２】
さまざまな実施例において、試料移動処理機構の係合部材は、基礎部材に取り付けられたラッチを備える。さまざまな実施例では、ラッチは、第二の解放部材と接触し、試料支持部を試料支持部移動機構からゆっくりと解放することができる、ローラーを備える。
【００２３】
さまざまな実施例では、試料支持部移動機構は、電気的導電面を有するフレームを備える。さまざまな実施例では、当該のフレームは、試料支持部の周縁部における、および／またはその近くでの電場線の不連続部の削減を促進する。
【００２４】
さまざまな実施例では、試料支持部移動機構は、低真空領域（例、真空密閉チャンバー）から高真空領域（例、試料チャンバー）に試料支持部を移動させる。さまざまな実施例では、試料チャンバーは、圧力が約１０−６トル以下になるように構成される。さまざまな実施例では、試料チャンバーは、圧力が約１０−７トル以下になるように構成される。その点を考慮して、さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、真空適合材料で作成される。
【００２５】
さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、以降のＭＡＬＤＩによるイオン発生に対する試料支持部の安定した位置決めの提供を促進する。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００５インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．０１インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．０１インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００２インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．００５インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．００５インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。
【００２６】
さまざまな側面において、本教示は、真空密閉チャンバーと、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバーとを備える、試料イオンを提供するためのシステムを提供し、真空密閉チャンバーには、試料支持部変更機構が配置され、試料チャンバーには試料支持部移動機構が配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内に配置されるように、試料支持部兼官機構の装着領域から試料支持部を引き出すように構成される。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００５インチ以内に、Ｘ方向において約±０．０１インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．０１インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。さまざまな実施例において、試料支持部は、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置される。試料支持部移動機構はまた、試料支持部の表面の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、一方で、前記試料支持部が、試料支持部移動機構内に保持され、前記試料イオンが、試料支持部の表面に実質的に垂直な方向において質量分析システム内に引き出される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ上に取り付けられる。さまざまな実施例において、Ｚ方向は試料支持部の表面に実質的に垂直である。
【００２７】
さまざまな実施例において、試料イオンは、レーザー照射と実質的に同軸である第一のイオン光軸に沿って、試料支持部の表面に実質的に垂直な方向に引き出される。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンを提供するためのシステムは、試料イオンを発生する試料に衝突するレーザーエネルギーのパルスのポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルと実質的に同軸である方向に沿って、試料イオンが、試料チャンバーから引き出されるように構成される。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、試料表面の法線から約５度以下である角度を形成する。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、試料表面の法線から約１度以下である角度を形成する。
【００２８】
さまざまな実施例において、フレーム部材は、少なくともイオン引き出し方向に面する表面上において、電気的導電面を有する。さまざまな実施例において、当該のフレームは、試料支持部の周縁部における、および／またはその近くでの電場線の不連続部の削減を促進する。
【００２９】
さまざまな側面において、本教示は、質量分析のための試料イオンを提供するための方法を提供し、試料支持部の表面上に複数の試料を支持するステップと、試料支持部を装着するための領域と、試料支持部を脱着するための領域とを有する真空密閉チャンバーを提供するステップと、その中に配置される試料移動機構を有する試料チャンバーを提供するステップとを含む。本方法では、試料支持部が、試料支持部移動機構内に配置されるように、試料移動機構によって装着するための領域内に配置された試料支持部を引き出す。さまざまな実施例において、試料支持部は、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置される。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００５インチ以内に、Ｘ方向において約±０．０１インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．０１インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行し、Ｚ方向は試料支持部の表面に実質的に垂直である。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。試料支持部は、試料チャンバー内の第一の位置の位置に平行移動され、ここでは、試料支持部上の第一の試料にエネルギーパルスが照射され、第一群の試料イオンを形成し、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、第一群の試料イオンの少なくとも一部が、Ｚ方向に引き出される。次いで、試料支持部は、試料チャンバー内の第二の位置の位置に平行移動され、ここでは、試料支持部上の第二の試料にエネルギーパルスが照射され、第二群の試料イオンを形成し、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、第二群の試料イオンの少なくとも一部が、Ｚ方向に引き出される。試料支持部を脱着するための領域内の試料支持部移動機構によって試料支持部を配置する前に、更なる試料を試料支持部上で分析することができる。本方法では、試料支持部を引き出すステップに続けて、少なくとも２つの試料に対する平行移動、照射、および引き出しのステップを繰り返し行う。
【００３０】
さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の５度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の１度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。
【００３１】
さまざまな実施例では、試料イオンの少なくとも一部を引き出すステップのうちの少なくとも１つは、第一のイオン光軸に沿って、Ｚ方向に試料イオンを引き出すステップを含み、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００３２】
（イオン源）
さまざまな側面において、本教示は、ＴＯＦ機器のためのイオン源およびその操作方法に関する。さまざまな実施例において、本教示は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源および質量分析計とともに使用するための、ＭＡＬＤＩイオン源の操作方法に関する。さまざまな側面において、多重モードの操作に対して構成されたＴＯＦ質量分析計の感度および分解能のうちの１つ以上の向上を促進する、イオン源およびその操作方法が提供される。
【００３３】
汎用ＭＡＬＤＩ ＴＯＦ質量分析装置では、異なる操作方法（すなわち、ＭＳ／ＭＳのための線形、反射器（イオンミラー）、および前駆（親イオン）の選択）に対して、最適な分解能が得られるように、イオン源の速度空間集束面の位置を変更することが望ましい。遅延引き出しを用いた２ステージワイリーマクラレン（Ｗｉｌｅｙ ＭｃＬａｒｅｎ）型供給源は、あらゆる操作モードに対して理想的な集束を提供するように構成することができる。しかし、他の部分の性能を落とさずに、１つ以上の操作モードにおいて最適化された性能を提供する単一のジオメトリをデザインすることはより困難である。特に、ＭＳ／ＭＳのためのタイムドイオンセレクションに求められるような、表面付近の焦点面に対する供給源を最適化するために、（ｘ，ｙにおける）ビームの空間的集束は、イオンビームの多数の部分が限界口径を通して送られなくなる点まで低下され、したがって、機器の感度の実質的な損失が観測される。本教示は、さまざまな実施例において、従来の２ステージイオン源と比較して、調整可能な速度空間集束面を可能とし、ｘ，ｙ空間的焦点特性が改善された、斬新な３ステージイオン源を提供する。さまざまな実施例において、イオン源は、半径方向の空間的集束を実質的に低下させずに、初期のイオン速度によるイオン到着時間の広がりの補償を促進する。
【００３４】
当業者は、用語「速度空間焦点」および「ｘ，ｙ空間的焦点」を使用して本願明細書に記載された概念が、異なる用語を使用して記述される可能性があることを認識されよう。遅延引き出し使用して、異なる初期速度だが同じｍ／ｚ値で、実質的に同時に特定の面にイオンを導くことができるが、このプロセスは、従来技術では、「時間集束」および「空間的集束」、「速度集束」および「タイムラグ集束」を含む、さまざまな用語で称されている。加えて、例えば、用語「空間集束」、「空間集束面」、「空間焦点面」、「時間集束」、「速度集束」、および「時間集束面」は、従来技術において全て使用されており、本願明細書において速度空間集束面と称されるもののうちの１つ以上を指す。不都合にも、用語「時間集束」、「時間的集束」、「空間集束」、「空間集束面」、「空間焦点面」、「時間集束」、および「時間集束面」もまた、従来技術の飛行時間型質量分析装置で使用され、遅延引き出しを使用したイオン源の速度空間集束とは根本的に異なるプロセスを描写している。ｘ，ｙ空間的集束は、その主たる伝搬方向（ｚ）に垂直な方向において、イオンビームの直径を狭めることができるので、このプロセスはまた、従来技術において、用語「半径方向の集束」とも称される。しかし、用語「空間的集束」および「半径方向の集束」はまた、従来技術の飛行時間型質量分析装置においても使用され、本教示のｘ，ｙ空間的集束とは根本的に異なるプロセスを描写している。したがって、質量分析技術に見出される用語の複雑な語法を鑑みて、本願明細書で使用される用語「速度空間集束」および「ｘ，ｙ空間的集束」は、単に説明における簡潔さ、および一貫性に対して選択したものであり、本教示の内容をいかなる形であれ記述された内容に制限するものと解釈すべきではない。
【００３５】
さまざまな側面において、本教示の３ステージイオン源は、試料表面を有する試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部に対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備える。試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、および（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【００３６】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００３７】
さまざまな実施例において、第一の方向は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料イオンを発生する試料に衝突するレーザーエネルギーのパルスのポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルと実質的に同軸である方向に沿って引き出される。さまざまな実施例において、第一の方向は、試料表面の法線から約５度以下である角度を形成する。さまざまな実施例において、第一の方向は、試料表面の法線から約１度以下である角度を形成する。
【００３８】
試料支持部と、試料表面から間隔を隔てて試料イオンを加速する第一の電極との間の電位差の付加は、レーザーエネルギーのパルスを発生させた後の所定時間だけ遅らせて、例えば遅延引き出しを行うことができる。いくつかの実施例では、例えば、米国特許第５，６２５，１８４号（１９９５年５月１９日出願、１９９７年４月２９日発行）、米国特許第５，６２７，３６９号（１９９５年６月７日出願、１９９７年５月６日発行）、米国特許第６，００２，１２７号（１９９８年４月１０日出願、１９９９年１２月１４日発行）、米国特許第６，５４１，７６５号（１９９８年５月２９日出願、２００３年４月１日発行）、米国特許第６，０５７，５４３号（１９９９年７月１３日出願、２０００年５月２日発行）、米国特許第６，２８１，４９３号（２０００年３月１６日出願、２００１年８月２８日発行）、および米国特許第１０／３０８，８８９号（２００２年１２月３日出願）などの米国特許に記載されているように、遅延引き出しを行ってタイムラグ集束を提供し、初期の試料イオン速度の分布を補正する。これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。他の実施例では、例えば、Ｗ．Ｃ．ＷｉｌｅｙおよびＩ．Ｈ．ＭｃＬａｒｅｎの「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１２、１１５０〜１１５７ページ、１９５５年１２月）に記載されているように、引き出しを行って、初期の試料イオンの空間分布を補正することができ、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【００３９】
操作のさまざまな実施例において、ある照射角度でレーザーエネルギーのパルスを試料に照射して、ＭＡＬＤＩによって試料イオンを生成する。以前の試料イオンの引き出し後、および試料へのレーザーエネルギーのパルスの照射中に、電源は第一の電位を試料支持部に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、エネルギーパルスの発生に対する第一の所定時間で第一の電場を構築し、第一の電場は、試料支持部から離れる方向に試料イオンを加速しない。いくつかの実施例では、第一の電位は、正の試料イオンを測定したときに、第二の電位よりも負であり、第一の電位は、負の試料イオンを測定したときに、第二の電位よりも負であり、それによって、試料イオンの引き出し前に遅延電場を生成する。さまざまな実施例において、第一の電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００４０】
さまざまな実施例において、レーザーエネルギーのパルスの発生後の第二所定時間で、電源は、試料支持部および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、試料支持部から間隔を隔てて試料イオンを加速して試料イオンを引き出し、第三の電位を第二の電極に付加してｘ，ｙ空間的集束を提供する、第二の電場を構築する。
【００４１】
多種多様な構造を使用して、電位を発生させるタイミングを制御することができる。例えば、光検出器を使用して、レーザーエネルギーのパルスを検出して、エネルギーパルスに同期させた電気信号を発生させることができる。同期させた信号に対応する入力を有する遅延発生器を使用して、電源がさまざまな電位を起動してアプリケーションを制御するための、同期させた信号に対して所定時間だけ遅延させた、出力電気信号を提供することができる。
【００４２】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すように構成され、試料表面に実質的に法線の角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射するように構成された光学システムを含む。さまざまな実施例において、第一の電極および第二の電極は、それぞれ開口を有する。いくつかの実施例において、第一および第二の電極は、第一のイオン光軸（第一の電極の開口の中心と第二の電極の開口の中心との間の線によって確定される）が、試料表面に実質的に法線の角度で、試料表面と交差するように配置される。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスをイオン光軸と実質的に同軸に調整するように構成される。
【００４３】
さまざまな側面において、イオンビーム経路内の電極への材料の付着の低減を促進する、３ステージイオン源が提供される。イオンビーム経路内の電極への材料の付着を低減することによって、例えば、質量分析計の感度、分解能、またはその両方の向上を促進し、質量分析計の操作の中断時間の減少を促進することができる。
【００４４】
一側面において、イオン源の要素のうちの１つ以上が加熱システムに接続され、温度制御された表面が、３ステージイオン源の少なくとも一部の実質的に周囲に配置された、３ステージイオン源を提供することができる。好適な加熱システムは、これに限定されないが、電気抵抗加熱器および放射加熱器を含む。いくつかの実施例において、加熱システムは、イオン源内の要素のうちの１つ以上の温度を、マトリックス材を脱着させるに十分な温度に上昇させることができる。さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源内の要素のうちの１つ以上を、約７０℃を超える温度に加熱することができる加熱器を含む。
【００４５】
温度制御された表面の温度は、例えば加熱および冷却ユニットによって動的に制御するか、または、例えば温度制御された表面の熱的な質量、温度制御された表面が放熱板と熱的に接触するような配置、またはそれらの組み合わせによって静的に制御することができる。
【００４６】
他のさまざまな側面において、質量分析のための試料イオンを提供する３ステージイオン源および方法が提供される。さまざまな実施例において、本イオン源および方法は、これに限定されないが、多次元質量分析装置を含む、飛行時間型質量分析装置によって、質量分析のための試料イオンの提供に好適である。好適な飛行時間型質量分析システムおよび方法は、例えば、米国特許第６，３４８，６８８号（１９９９年１月１９日出願、２００２年２月１９日発行）、米国特許出願第１０／０２３，２０３号（２００１年１２月１７日出願）、米国特許出願第１０／１９８，３７１号（２００２年７月１８日出願）、および米国特許出願第１０／３２７，９７１号（２００２年１２月２０日出願）に記載されており、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【００４７】
さまざまな側面において、本教示は、イオン源からイオンを集束させる方法を提供する。さまざまな実施例において、イオン源は、遅延引き出しイオン源を備える。さまざまな実施例において、本方法では、試料支持部、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを有する、イオン源からのイオンを集束させる。イオン化のための試料は、試料支持部の試料表面上に配置され、イオンのエネルギーは、試料表面と第三の電極との間の電位差によって構築される。さまざまな実施例において、イオンは、試料表面と第一の電極との間の電位差の付加によって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択することによって集束され、この電位差は、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加すること、および第三の電位を第二の電極に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向における集束イオンによって構築される。
【００４８】
さまざまな側面において、本教示は、２つ以上の操作モードと、イオン源とを有する飛行時間（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）型質量分析計の操作方法を提供する。操作モードの例には、これに限定されないが、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦが挙げられる。さまざまな実施例において、イオン源は、試料支持部、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを有する。
【００４９】
さまざまな実施例において、２つ以上の操作モードを有するＴＯＦ質量分析計の操作方法は、（ａ）試料表面と第三の電極との間の電位差を選択することによってイオンエネルギーを構築するステップと、（ｂ）第一の操作モードに対して、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加することによって、Ｚ方向における時間集束面の位置を選択ステップと、（ｃ）第一の操作モードに対して、第三の電位を第二の電極に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるステップとを含む。さまざまな実施例において、本方法は、（ｄ）飛行時間型質量分析計の操作モードを第二の操作モードに変更するステップと、（ｅ）第二の操作モードに対して、第一の電極に付加される電位を変化させることによって、Ｚ方向における時間集束面のを選択するステップと、（ｆ）第二の操作モードに対して、第二の電極に付加される電位を変化させることによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるステップとをさらに含む。さまざまな実施例において、時間集束面とは、遅延引き出しイオン源の時間集束面である。
【００５０】
２つ以上の操作モード、またはそれらの組み合わせを有する飛行時間型質量分析計を操作する、イオン源からのイオンを集束させるさまざまな実施例において、試料イオンは、試料にレーザーエネルギーのパルスを照射することによって生成され、その照射角度は、試料表面の実質的に法線である。いくつかの実施例では、そのように生成された試料イオンは、試料表面の実質的に法線である引き出し方向に引き出され、レーザーエネルギーのパルスは、引き出し方向と実質的に一致する。さまざまな実施例において、試料イオンは、試料にレーザーエネルギーのパルスを照射することによって生成され、試料表面と交差するエネルギーパルスのポインティングベクトルは、イオン引き出し方向と実質的に同軸である。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料表面に実質的に法線方向に第一のイオン光軸に沿って引き出され、エネルギーパルスは、第一のイオン光軸と実質的に一致する。
【００５１】
例えば、さまざまな実施例において、本方法は、試料支持部表面の法線の１度以下で試料表面上の試料にエネルギーパルスを照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、試料支持部表面と第一の電極との間の電位差を所定の時間付加することによって、試料支持部表面に実質的に法線方向に、第一のイオン光軸に沿って試料イオンを引き出すステップとを含む。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００５２】
（イオン光学）
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させる方法、およびイオンフラグメンターを備えたイオン光学組立部の操作方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたって入射イオンビームの焦点の位置を実質的に保持し、それによって広範囲のエネルギーにわたって衝突セルに平行イオンビームを供給する方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたるイオンの伝送損を減少させる方法を提供する。
【００５３】
さまざまな側面において、本方法のイオン光学組立部は、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える。さまざまな実施例において、減速レンズおよび第一のイオンレンズは、複数の要素を備え、要素を共有することができる。例えば、さまざまな実施例において、減速レンズは、第一の電極と、第二の電極と、第三の電極とを備え、第一のイオンレンズは、第三の電極と、第四の電極と、第五の電極とを備える。さまざまな実施例において、試料イオンは、第三の電極と第四の電極との間の焦点に集束され、焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、実質的に平行なイオンビームを形成する。
【００５４】
さまざまな側面において、本教示は、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える、イオン光学組立部を操作するための方法を提供し、減速レンズへの位置口から距離Ｆ離れ、衝突セル内の中性ガスに対する試料イオンの第一の衝突エネルギーで、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成する第一のイオンレンズ内の焦点で、試料イオンを集束させるステップと、遅延イオンレンズへの電位を実質的に保持し、第一のイオンレンズ上の電位を変化させることによって、第一の衝突エネルギーとは異なる衝突エネルギーに対して、実質的に距離Ｆにおける焦点を保持するステップとを含む。
【００５５】
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させるための方法を提供し、イオン光学組立部を使用した前記方法は、減速レンズとイオンフラグメンターへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える。さまざまな実施例において、本方法は、減速レンズに減速電位を付加し、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電位差を付加し、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電位差を付加する。さまざまな実施例において、試料イオンは、第一のイオンレンズ内の焦点に実質的に集束され、例えば、焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、実質的に平行なイオンビームを形成する。さまざまな実施例において、この焦点の位置は、減速レンズと第一のイオンレンズとの間の加速電位差を変化させて、減速レンズに付加された加速電位を実質的に保持することによって、異なる衝突エネルギーに対して保持される。
【００５６】
さまざまな実施例において、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える、イオン光学組立部を操作するための本教示の方法は、（ａ）第一の衝突エネルギーで、第一のイオンレンズ内の焦点に試料イオンを実質的に集束させ、第一のイオンレンズ内の焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成するステップを含み、このステップは、（ｉ）第一の電位を減速レンズの電極に付加することによって、減速レンズに入る試料イオンに対する減速電場を構築するステップと、（ｉｉ）第二の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電場を構築して、減速レンズから第一のイオンレンズ内へ試料イオンを加速するステップと、（ｉｉｉ）第三の電位を衝突セルへの入口に付加することによって、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電場を構築して、第一のイオンレンズからの試料イオンを減速するステップとによってなされる。本方法は、（ｂ）第一の衝突エネルギーとは異なる第二の衝突エネルギーに、第一の衝突エネルギーを変化させるステップによって進行する。本方法のための試料イオンは、次いで、（ｃ）第二の衝突エネルギーで、第一のイオンレンズ内の焦点に試料イオンを実質的に集束させ、第一のイオンレンズ内の焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成するステップを含み、このステップは、（ｉ）第四の電位を減速レンズの電極に付加することによって、減速電場を構築して、減速レンズに入る試料イオンを減速し、前記第四の電位は、実質的に第一の電位に等しいステップと、（ｉｉ）第五の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電場を構築して、減速レンズから第一のイオンレンズ内へ試料イオンを加速するステップと、（ｉｉｉ）第六の電位を衝突セルへの入口に付加することによって、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電場を構築して、第一のイオンレンズからの試料イオンを減速するステップとによってなされる。
【００５７】
さまざまな実施例において、試料イオンは、減速レンズへの入口から距離Ｆ離れた焦点に実質的に集束される。さまざまな実施例において、第一の衝突エネルギーと第二の衝突エネルギーとの間の差が、約５０００電子ボルト未満である場合、距離Ｆは、（ａ）約±４％未満、（ｂ）約±２％未満、および／または（ｃ）約±１％未満で変動する。さまざまな実施例において、第四の電位は、第一の電位の約±５％以下の範囲内である。例えば、さまざまな実施例において、第四の電位は、第一の電位の約±２．５％以下の範囲内である。
【００５８】
（イオン光学組立部）
さまざまな側面において、本教示は、イオン光学素子の調整を容易にする機能を有するイオン光学組立部を提供する。さまざまな実施例において、前面部材と取り付け本体の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子を備える、イオン光学組立体が提供される。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【００５９】
さまざまな実施例において、本教示に記載されているように、固定部材によるイオン光学素子の圧縮によるそれらの調整は、イオン光学素子の調整および組立てを簡素化することができる。本教示において、イオン光学素子の圧縮および調整には、トルクパターンが不要である。さまざまな実施例において、固定部材は、イオン光学部材を適所に固定することができるので、輸送のためにイオン光学組立部を固定する更なる部品を必要としない。
【００６０】
さまざまな側面において、本教示は、それらの調整を促進するイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムを提供する。さまざまな実施例において、基礎の取り付け表面から突出する複数対の突出部を有する取り付け基部と、突出部の各対に関連付けられた１つ以上の取り付け構造とを備える。少なくとも１つの電気的接続要素は、突出部の各対に関連付けられ、接続要素は、背面から取り付け表面まで取り付け基礎を貫通する。本システムは、２つ以上のイオンの光学的要素支持部をさらに備え、各イオンの光学的要素支持部は、複数対の凹部のうちの１つ以上を受けるように構成された１対の凹部を有する。凹部は、イオンの光学的要素支持部の一対の凹部が、（１対の突出部に関連付けられた１つ以上の取り付け構造を使用して、イオンの光学的要素を取り付け基礎に取り付けることによって）対応する１対の突出部によってレジストレーションに導かれるときに、支持部内のイオンの光学的要素は、そのように取り付けられた別のイオンの光学的要素によって実質的に調整され、前記イオンの光学的要素上の電気的接続は、対応する電気的接続要素に隣接する。
【００６１】
さまざまな実施例において、複数対の突出部は、イオンの光学的要素支持部の１つの配向だけが、イオンの光学的要素支持部内の対応する凹部を、対応する対の突出部によってレジストレーションに導くことができるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、一意の凹部および突出部パターンを使用して、イオンの光学的要素支持部を配向することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、異なるイオンの光学的要素に対して、異なる形状を有するように構成される。さまざまな実施例において、イオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムは、例えば、要素を置き換えず、またはそれらを誤って配向する恐れなしに、光学的要素の迅速な変更を容易にする。
【００６２】
（質量分析計システム）
さまざまな側面において、本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを提供する。さまざまな実施例において、質量分析計システムは、（ａ）エネルギーパルスが、試料表面に実質的に法線の角度で試料表面の試料に衝突するように、試料表面上の試料にエネルギーパルスを照射するように構成された光学システムと、（ｂ）本教示のＭＡＬＤＩイオン源と、（ｃ）第一のイオン光軸からのイオンを偏向させるように構成されたイオン偏向板であって、それに沿ってイオンが質量分析計システムおよび第二のイオン光軸に引き出されるイオン偏向板と、（ｄ）イオン偏向板とタイムドイオンセレクタとの間に配置された第一の実質的にフィールドフリー領域であって、タイムドイオンセレクタは、第一の実質的にフィールドフリー領域と衝突セルとの間に配置されたフィールドフリー領域と、（ｅ）衝突セルと第一のイオン検出器との間に配置された第二の飛行時間と、（ｆ）第二の飛行時間と第一のイオン検出器との間に配置されたイオンミラーと、（ｇ）イオンミラーと第二のイオン検出器との間に配置される第二の飛行時間とを備える。タイムドイオンセレクタは、第二のイオン光軸に沿って移動するイオンを受けるように配置され、衝突セルへ伝送するイオンを選択するように構成される。
【００６３】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩイオン源は、試料表面を有する試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部に対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備える。試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、および（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【００６４】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００６５】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、真空密閉チャンバーと、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバーとをさらに備える。試料支持部変更機構は真空密閉チャンバー内に配置され、試料支持部移動機構は試料チャンバー内に配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置されるように、試料支持部変更機構の装着領域から試料支持部を引き出すように構成される。試料支持部移動機構は、エネルギーパルスによる試料支持部の表面上の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、前記試料支持部は、試料支持部移動機構内に保持される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ上に装着され、試料支持部は、試料チャンバー内にあり、前記試料イオンは、第一のイオン光軸に沿って引き出すことができる。
【００６６】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、その中に配置された１つ以上の温度制御された表面をさらに備える。
【００６７】
さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタおよび衝突セルは、イオン光学組立部の部分を備え、イオン光学組立体は、前面部材と取り付け本体の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子を備える。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。取り付け本体は、衝突セルを収容し、タイムドイオンセレクタは、イオン光学素子のうちの少なくとも１つを備える。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【００６８】
さまざまな側面において、本教示は、２つ以上の操作モードおよび、試料表面を有する試料支持部と、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備えたイオン源を有するＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを操作するための方法を提供する。さまざまな実施例において、第一の操作モードのための方法は、（ａ）第一の操作モードに対して、試料表面と第一の電極との間に電位差を付加することによって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択するステップであって、この電位差は、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加し、また、第三の電位を第二の電極に付加することによってＺ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させることによって構築されるステップと、（ｂ）試料表面上の試料に、エネルギーパルスを試料表面の実質的に法線の照射角度で照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、（ｃ）エネルギーパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン光軸に沿って、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すステップと、（ｄ）第一の操作モードを使用した質量分析のために、第一のイオン光軸から第二のイオン光軸に試料イオンを偏向させるステップとを含む。質量分析計システムの操作モードは、次いで、第二の操作モードに変更され、その方法は、（ａ）第二の操作モードに対して、試料表面と第一の電極との間に電位差を付加することによって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択するステップであって、この電位差は、第一の電位と実質的に等しい第四の電位を試料表面に付加し、第五の電位を第一の電極に付加し、また、第六の電位を第二の電極に付加することによってＺ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させることによって構築されるステップと、（ｂ）試料表面上の試料に、エネルギーパルスを試料表面に対して実質的に法線である照射角度で照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、（ｃ）エネルギーパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン光軸に沿って、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すステップと、（ｄ）第二の操作モードを使用した質量分析のために、第一のイオン光軸から第二のイオン光軸に試料イオンを変更させるステップとを含む。
【００６９】
操作モードのうちの１つが衝突誘起解離を含むさまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを操作するための方法は、衝突セルにイオンを集束させるための方法のうちの、本教示のさまざまな実施例を含むことができ、また、イオン光学組立部を操作するための方法のうちの、本教示のさまざまな実施例を含むことができる。
【００７０】
本発明の上述および他の側面、実施例、目的、機能、および利点は、以下の添付図面に関連した記述によってさらに理解することができる。図中、同じ参照符号のものは、種々の図面を通じて概ね同じ機能および構造の要素を示すものである。これらの図面は原寸に比例して示されておらず、代わりに本発明の原理を示す部分が強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
さまざまな側面において、本教示は、斬新なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムを提供する。さまざまな実施例において、例えば、試料支持部処理機構、イオン源、イオン光学、およびイオン光学組立部のような、１つ以上の斬新な構成要素を備えた斬新なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムが提供される。さまざまな実施例において、試料分析システムとともに使用して、例えば、試料イオンを提供したり、試料イオンを集束させたり、異なる操作モードで質量分析システムを操作したり、イオンフラグメンターを操作したりするための斬新な方法が提供される。
【００７２】
図１Ａ乃至１Ｄは、本教示のさまざまな実施例による、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム１００の図を原寸に比例した図である。図１Ａは正面断面図を示し、図１Ｂは側断面図を示し、図１Ｃおよび１Ｄはそれぞれ図１Ａおよび図１Ｂの一部を拡大して示した図である。図１Ａ乃至１Ｄを見やすくするために、システム１００は、床が方向１０１で、天井が方向１０２となるように配向することができ、機器の「正面」は、視点１０３からのものとすることができる。
【００７３】
図１Ａ乃至１Ｄによって示されるさまざまな実施例は、制限することを意図したものではない。例えば、本教示によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図１Ａ乃至１Ｄに示されるシステムよりも少ない構成要素を備えるか、またはシステムよりも多い構成要素を備えることができる。加えて、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図１Ａ乃至１Ｄに示される部品の配置に必ずしも制限されるものではない。むしろ、示された配置は、本教示を実施する多数のモードの一部である。例えば、図１Ａ乃至１Ｄに示されるシステムのさまざまな実施例は、例えば線形ＭＳ操作、イオンミラーＭＳ操作、ＭＳ／ＭＳ操作などのような、さまざまなモードで操作することができる。
【００７４】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム１００は、試料支持部を装着および脱着することができる、真空密閉チャンバー１０６を備えた試料支持部処理機構１０５と、試料支持部を真空密閉チャンバー１０６からイオン領域１１１に移送するように構成された試料支持部移動機構１０８とを備える。試料支持部移動機構は、イオン源内の１つ以上の次元に試料支持部を平行移動させるための移動機構を備えて、例えば、試料支持部上の２つ以上の試料の連続的な分析を促進することができる。さまざまな実施例において、平行移動機構は、多軸（例、２次元ならばｘ−ｙ；３次元ならばｘ−ｙ−ｚ）平行移動ステージ１１２を備える。質量分析システムは、観察システム１１３を備えて、一連の視界１１４に沿って、例えば、試料支持部がイオン源領域におけるイオン形成のために配置された場合は、試料支持部の表面上の試料を観察することができる。
【００７５】
図１Ａ乃至１Ｄに示されるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例は、例えば線形ＭＳ操作、イオンミラーＭＳ操作、ＭＳ／ＭＳ操作などのような、さまざまなモードで操作することができ、電場１２０、１２２、１２４が実質的にない１つ以上の領域を含むことができる。例えば、さまざまな実施例において、ＴＯＦシステムは、線形ＴＯＦ質量分析装置として動作させることができる。線形ＴＯＦの操作モードにおいて、イオン源領域１１１で生成されたイオンは、１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって、実質的に電場のない第一の領域（第一のフィールドフリー領域）１２０に引き出され、第一の検出器１２５に移動する。
【００７６】
さまざまな実施例において、ＴＯＦシステムは、リフレクトロンＴＯＦ質量分析装置として動作させることができる。イオンミラーＴＯＦ操作モードにおいて、イオンは、１つ以上の実質的に電気的フィールドフリー領域１２０および１２２を通ってドリフトした後に、イオンミラーに入り、例えば、イオンの運動エネルギーの差異を補正する。イオンミラー１３０から出射するイオンは、次いで別のフィールドフリー領域１２４を通って検出器１３５にドリフトすることができる。
【００７７】
さまざまな側面において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、ＭＳ／ＭＳ機器として機能し、動作させることができる。例えば、さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、イオンフラグメンター１４０を備える。イオン源領域１１１内で生成されたイオンは、１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって、実質的に電場のない第一の領域（第一のフィールドフリー領域）１２０に引き出され、タイムドイオンセレクタ１４２を使用して、イオンフラグメンター１４４の、例えば衝突セルへ伝送するイオンを選択すること、および実質的に電場のない第二の領域（第二のフィールドフリー領域）１２２に引き出されたフラグメントイオンを、例えば線形−線形ＴＯＦを実行するときは第一の検出器１２５に移動させ、例えば線形−反射器ＴＯＦを実行するときは第二の検出器１３５に移動させることができる。
【００７８】
さまざまな側面および実施例において、本教示は、エネルギーパルスを用いて試料イオンを形成する。エネルギーパルスは、干渉性、非干渉性、またはその組み合わせとすることができる。さまざまな実施例において、エネルギーパルスは、レーザーエネルギーのパルスである。レーザーエネルギーのパルスは、例えば、パルスレーザーまたは連続波（ｃｗ）レーザーによるレーザーシステム１５０によって提供することができる。ｃｗレーザーの出力は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）、交差偏光子、回転チョッパー、およびシャッターを使用して、パルスを生成するように変調することができる。ＭＡＬＤＩによって対象となる試料イオンを生成するための好適な照射波長のあらゆるタイプのレーザーには、これに限定されないが、ガスレーザー（例、アルゴンイオン、ヘリウム−ネオン）、色素レーザー、化学レーザー、固体レーザー（例、ルビー、ネオジムベース）、エキシマレーザー、ダイオードレーザー、およびそれらの組み合わせ（例、ポンプレーザーシステム）が挙げられ、本教示とともに使用することができる。
【００７９】
（試料処理機構）
質量分析装置システムは、構成要素の正確かつ反復可能な調整を必要とする複雑な機器となる可能性がある。正確かつ反復可能な調整を一般に必要とする１つの領域には、イオン源がある。ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムにおいて、イオンを引き出す方向（本願明細書ではＺ方向と称する）における試料の配置のばらつきによって、飛行長さ（飛行時間）のばらつきがもたらされ、質量分解能が減少する可能性がある。加えて、ＸおよびＹ位置と同様に、Ｚ位置のばらつきは、機器のイオン光学が調整されない位置での試料イオンの形成をもたらす可能性があり、イオン信号および質量分解能が減少する可能性がある。これらのばらつきは、一般的に、質量分析計システムのイオン源から、ＭＡＬＤＩプレートなどのような試料支持部上に担持される試料の装着および脱着の繰り返しを必要とする、多数の試料の分析が求められる調査では、さらに大きな懸念となりうる。
【００８０】
さまざまな側面において、本教示は、試料支持部処理機構を提供する。さまざまな実施例において、試料時支部処理機構は、試料支持部変更機構と、試料支持部移動機構とを備え、ユーザーが、変更機構内に試料支持部を配置することができるように構成することができ、イオン源領域への移動のために試料支持部移動機構によって取り込まれたときに、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に配置して、イオン源におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向のサンプルの正確かつ反復可能な調整を促進する。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料支持部移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００２インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．００５インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．００５インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００５インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．０１インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．０１インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部は、複数の試料を保持することができる。
【００８１】
さまざまな実施例において、試料支持部は、プレート（例、３．４インチ×５インチ）、マイクロタイターサイズのＭＡＬＤＩプレートなどを備える。好適な試料支持部には、これに限定されないが、６４スポット、９６スポット、および３８４スポットのプレートが挙げられる。電気的絶縁層は、試料と試料支持部の試料表面との間に挿入することができる。試料は、レーザーエネルギーのパルスの波長で吸収し、試料内の対象となる分子の脱離およびイオン化を促進する、マトリックス材を含むことができる。
【００８２】
試料支持部の位置のずれに加えて、イオン化されている試料付近の電場線の歪みも、イオン信号および分解能の減少をもたらす可能性がある。例えば、ＭＡＬＤＩを受ける試料付近の電場線の不連続部は、イオンを引き出す電場線を乱す可能性があり、イオンプルームの経路を生じさせ、引き出し電極への所望の飛行から外れる。
【００８３】
さまざまな実施例において、本教示の試料支持部処理機構は、導電面を有し、試料支持部を実質的に囲んで試料支持部の周囲の導電領域を拡張するフレームを提供する。
【００８４】
図２を参照する。さまざまな実施例において、本教示の試料支持部処理機構は、試料チャンバー２０５内に配置された試料支持部移動機構２００と、真空密閉チャンバー２１５内に配置された試料支持部変更機構２１０とを備える。さまざまな実施例において、試料支持部移動機構２００は、移動ステージ２１７（例、２軸または３軸のステージ）を備える。試料支持部移動機構は、試料チャンバーに配置されているが、真空密閉チャンバーへの部分を拡張して、試料支持部を試料支持部変更機構から引き出し、そこに戻すことができる。
【００８５】
操作中に、試料支持部を、真空密閉チャンバー２１５内の変更機構２１０の装着領域２２０（例、装着パッド上）内に配置し、真空密閉チャンバー２２５を閉じることができる。真空密閉チャンバーの空気を（約８０ミリトル以下に）抜いて、真空密閉と試料チャンバーとの間の試料チャンバードア（例えば、ゲート値）を開く。試料支持部移動機構は、左アームが、変更機構の左カム構造２３４と十分に一致し、右アーム２３６が変更機構の中央カム構造２３８と十分に一致するまで、Ｙ方向に平行移動させることができる。試料移動機構は、次いで、左および右アーム２３２および２３６を係合し、装着領域２２０内の試料支持部（他の構造を明確にするために図２には示さず）を取り込むように、Ｘ方向に平行移動させることができる。左および右アームが試料支持部に近づいたとき、左カム構造２３４および中央カム構造２３８が、それぞれ左および右アームの左および右ベアリング支持部構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、第一の解放部材２３９は、係合部材２４０を（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、試料支持部が移動機構の前面に対して係合できるようにする。さまざまな実施例において、試料支持部のためのフレーム（他の構造を明確にするために図２には示さず）は、装着領域における試料支持部の係合の前に、左アームと右アームとの間か、または装着領域内の試料支持部上に配置することができる。例えば、フレームが左アームと右アームとの間にあるとき（図３を参照のこと）、移動機構は、フレームが試料支持部のわずかに上にあって、フレームが、試料支持部上の対象となる試料に実質的に接触せずに、試料支持部上を通過することができるように配置される。さまざまな実施例において、試料支持部（他の構造を明確にするために図２には示さず）は、それが装着領域内に装着されるときに、フレーム内に配置することができ、試料移動機構は、フレームに入れられた試料支持部を係合して装着する。例えば、試料支持部が、試料移動機構による係合の前にフレーム内にある場合、フレームは、移動機構内に配置することができる。試料支持部を取り込んだ後、試料支持部を試料チャンバーに平行移動させ、試料チャンバードアを閉じて、イオン形成に好適な圧力まで試料チャンバーの空気を抜いて、例えばＭＡＬＤＩによってイオンの形成を始める。図２に示される試料チャンバーにおいて、試料イオンは、試料チャンバーから実質的にＺ方向に引き出される。図２の等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標２４１によって概略的に示す。
【００８６】
操作中に、例えばＭＡＬＤＩ分析の後に試料支持部を取り除くには、左アーム２３２が、変更機構の中央カム構造２３４と十分に一致し、右アーム２３６が、変更機構の右カム構造２４２と十分に一致するまで、試料移動ステージをＹ方向に移動させることができる。試料移動機構は、次いで、左および右アーム２３２および２３６が中央カム構造２３８および右カム構造２４２を係合し、第二の解放部材２４３が移動機構上の係合部材２４０を解放するように、Ｘ方向に平行移動させることができる。さまざまな実施例において、係合部材は、ローラーを備え、これは、傾斜した第二の解放部材２４３の表面（例、解放部材２４３の裏面）に追従することができ、それによって、試料支持部は、非装着領域２４５にゆっくりと解放され（例、急に落とさずに）、試料支持部取り込み部材２５０を押し下げることができる。試料移動機構がＸ方向に連なるとき、試料支持部は、移動機構の左および右アームから完全に解放され、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）の前縁部（非装着領域に最も遠い周縁部）は、取り込み部材に対して圧力を加え、係合部材２４０は、試料支持部から完全に解放される。さまざまな実施例において、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）の前縁部が、取り込み部材２５０の外縁部をクリアにすると、取り込み部材は、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）を（例、ばねで）係合して、試料支持部が移動機構によって引き出されないようにする。
【００８７】
図３は、本教示の試料処理機構のさまざまな実施例による、試料支持部移動機構３００の拡張部分を示し、取り込まれた試料支持部３０５およびフレーム３１０を示す図である。図３の等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標３１１によって概略的に示す。図３を参照する。試料支持部移動機構は、基礎３１５と、前面（本図では、試料支持部３０５およびフレーム３１０によって隠れている）に実質的に垂直である、左アーム３２０と、右アーム３３０とを備える。さまざまな実施例において、移動機構の基礎３１５は、試料チャンバー内のＸ−Ｙ移動ステージに取り付けられる。移動ステージを使用して、試料をイオン形成領域に移動させ、また試料支持部を真空密閉と試料チャンバーとの間に移動させることができる。
【００８８】
さまざまな実施例において、右アームベアリング支持部構造は、ピボットアーム３４０と、クランプアーム３４５とを備える。変更機構の装着領域または非装着領域への平行移動中に、変更機構の中央カム構造（装着操作）または右カム構造（脱着操作）は、第一の位置から第二の位置（装着操作）または第三の位置（脱着操作）へ下方に付勢するピボットアーム３４０を係合し、その後、クランプ機構３４５を押し下げて、右アームが、試料支持部を係合（装着操作）するか、または試料支持部を解放（脱着操作）できるようにする。
【００８９】
例えば、さまざまな実施例において、装着操作時に、移動ステージを装着領域へＸ方向に動かすと、試料支持部処理機構の左アーム３３０が装着領域のレジストレーション部材（図４Ｂのロッカーアーム）を作動させる。レジストレーション部材は、試料支持部を試料支持部移動機構のコーナー部に押し、左アームが基礎３１５の前面と接触する。移動機構が、装着領域へＸ方向に連なるとき、ピボットアーム３４０が解放され、クランプアーム３４５がフレーム上の保持構造３５０に対して試料支持部を押して、試料支持部の背面（すなわち、基礎の前面から離れた試料支持部の側面）をＺ方向に配置する。
【００９０】
さまざまな実施例において、フレームは、少なくともイオン源のイオン引き出し電極に面する面上に、導電面を備える。さまざまな実施例において、試料支持部周囲に導電領域を拡張することによって、試料支持部と引き出し電極との間の電場線の不連続部の減少が促進される。さまざまな実施例において、試料支持部をＺ方向に配置できる面に対向するフレームのコーナー部は低プロファイルを有し、電場の外乱の減少を促進する。
【００９１】
さまざまな実施例において、ピボットアームおよびクランプアームは、例えば、両側からの作動のために、移動機構の右アーム３３０および左アーム３２０の両方に実質的に複製される。動作は、例えばピボット点の固体ロッド３５５によって、アクティブ側からスレーブ側に移動させることができる。脱着操作において、例えば、移動機構は、非装着領域へＸ方向に動かすことができ、カム構造のうちの１つ以上が、ベアリング支持構造のうちの１つ以上を係合してクランプアームを解放し、第二の解放部材が係合部材を解放することによって、試料支持部は、移動機構の左および右アームの間から抜けることができる。移動機構を非装着領域から引き込ませると、取り込み機構（図４Ｂにストリッパプレートとして示す）は、試料支持部移動機構が引き込まれる時に、試料支持部がそれに追従しないようにする。
【００９２】
図４Ａおよび４Ｂを参照する。本教示の試料処理機構のさまざまな実施例による、試料支持部移動機構部（図４Ａ）および試料支持部変更機構部（図４Ｂ）の拡大図を示す。試料支持部処理機構は、試料支持部移動機構４００と、試料支持部変更機構４０５とを備え、試料変更機構は、真空密閉チャンバー内に配置される。試料支持部は、真空密閉チャンバーを通して出し入れすることができる。
【００９３】
例えば、操作中に、試料支持部を変更機構４０５の装着領域４１０内に配置して、真空密閉チャンバーのドアを閉じることができる。真空密閉チャンバーの空気が抜かれ、真空密閉チャンバー内が所望の真空度に達すると、２つのチャンバーを分離するドア４１２（例、仕切り弁）を開くことができる。Ｙ方向において、試料移動機構が装着領域４１０と一致すると、それを装着領域４１０へＸ方向に平行移動させることができる。左および右アームが試料支持部に近づいたとき、左カム構造４１５および中央カム構造４２０が、それぞれ左４２５および右４３０ベアリング支持構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、第一の解放部材４３５は、係合部材４４０を（例えば押し下げて）第二の位置に付勢する。さまざまな実施例において、係合部材は、基礎部材の前面４５５から離れる方に傾斜する傾斜表面４４２を備え、例えば、試料支持部のスムーズなレジストレーションを促進する。さまざまな実施例において、基礎部材の前面４５５は、ベアリングを備え、例えば、試料支持部のスムーズなレジストレーションを促進する。移動機構が装着領域へ連なるとき、左アーム４４５は、例えばロッカーアームピボット４５２の左カム側上に、レジストレーション部材４５０（ロッカーアームとして示す）を係合し、その後前面４５５および左アーム４４５に対して試料支持部を押すロッカーアームを回転させ、さまざまな実施例では、左アーム４４５および基礎の前面４５５に対してＸ−Ｙ方向に試料支持部を配置する。移動機構がＸ方向に装着領域へ連なるとき、係合部材４４０は、解放部材４３５の端部に到達し、係合部材は、試料支持部の前面（すなわち、基礎の前面により近い試料支持部の側面）をＺ方向に配置し、Ｘ方向に固定する、その第一の位置に（例、ばねで）戻る。さまざまな実施態様において、試料支持部は、左アームの保持突起部４５６（例、レッジ）、右アームの保持突起部４５７（例、レッジ）に対してＺ方向に配置される。保持突起部は、２つアーム間の距離部分のＹ方向にのみ延在する。移動機構が装着領域から試料チャンバーに引き込まれるとき、ベアリング支持ブロックが跳ね返り（それぞれの第一の位置に戻る）、プレートの背面をＺ方向に配置する。図４Ａおよび図４Ｂの等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標４５８によって概略的に示す。
【００９４】
操作中に、例えば以下のように、試料支持部の脱着を進行することができる。真空密閉チャンバー内が所望の真空度に達したとき、２つのチャンバーを分離しているドア４１２（例、仕切り弁）を開くことができる。試料移動機構がＹ方向に非装着領域４６０と一致すると、それをＸ方向に非装着領域４６０へ平行移動させることができる。移動機構の左および右のアームが近づいたとき、それらは非装着領域に入り、中央カム構造４２０および右カム構造４６４が、左４２５および右４３０ベアリング支持構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第三の位置に付勢し、第二の解放部材４６５は、係合部材４４０を（例えば解放したまま）第三の位置に付勢する。さまざまな実施例において、ランプ部４６５は、係合部材４４０をゆっくりと下ろし、試料支持部は、（例えば押し下げて）第一の位置から第二の位置に付勢する試料支持部取り込み機構４７０（例えば、図４Ａにばね懸架式ストリッパプレートとして示される）を係合する。さまざまな実施例において、係合部材４４０は、第二の解放部材４６５を係合するローラー４７２を備える。試料支持部の前縁部がストリッパプレート４７０の外延部４７５を通過するときに、ストリッパプレートが（例えば第三の位置に）跳ね返り、移動機構が試料チャンバー内に引き込まれたときに、試料支持部を非装着領域内に保持する。
【００９５】
さまざまな側面において、本教示は、質量分析のための試料イオンを提供する方法を提供する。図１Ａ乃至４Ｂを参照する。さまざまな実施例において、本方法は、複数の試料３７０を試料支持部３０５の試料表面３７５上に支持するステップと、試料支持部２２０を装着するための領域および試料支持部２４５を脱着するための領域を有する真空密閉チャンバー１０６および２１５を提供するステップと、試料チャンバー内に配置された試料移動機構１０８および２００を有する試料チャンバー１６０および２０５を提供するステップとを含む。
【００９６】
本方法では、試料支持部が、例えば、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に、試料支持部移動機構内のフレーム３１０内に配置されるように、試料移動機構１０８および２００によって装着２２０のための領域内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直交し、Ｚ方向は、試料支持部の表面に実質的に垂直である。試料支持部は、試料チャンバー１６０および２０５内の第一の位置に配置され、（例えば、試料表面上の第一の試料をイオン源引き出し電極１６２と一致させる）が、試料支持部の表面上の第一の試料には、エネルギーパルス１６４が照射され、第一群の試料イオンを形成し、一方で、試料支持部は試料移動機構によって保持され、少なくとも一部の第一群の試料イオンがＺ方向１６６に引き出される。試料支持部は、次いで、試料チャンバー内の第二の位置に平行移動され、（例えば、試料表面上の第二の試料をイオン源引き出し電極１６２と一致させる）が、試料支持部の表面上の第二の試料には、エネルギーパルス１６４が照射され、第二群の試料イオンを形成し、一方で、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、少なくとも一部の第二群の試料イオンがＺ方向１６６に引き出される。さらに、試料支持部が、試料支持部を脱着２４５するための領域内の試料支持部移動機構によって配置される前に、試料を試料支持部上で分析することができる。本方法は、少なくとも１つの他の試料支持部を引き出すステップに続けて、試料支持部上の少なくとも２つの試料に対する平行移動、照射、および引き出しのステップを繰り返し行う。
【００９７】
さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の５度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の１度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、試料イオンの少なくとも一部を引き出すステップのうちの少なくとも１つは、第一のイオン光軸に沿って、Ｚ方向に試料イオンを引き出すステップを含み、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００９８】
例えば、図１Ａ乃至１Ｄを参照すると、さまざまな実施例において、試料イオンは、エネルギーパルス１６４と実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン軸１６８に沿って引き出される。
【００９９】
（イオン源）
さまざまな側面において、本教示は、質量分析計とともに使用するための、ＭＡＬＤＩイオン源およびＭＡＬＤＩイオン源の操作方法に関する。さまざまな側面において、本教示は、さまざまな実施例において、イオンの半径方向の空間的集束を実質的に低下させずに初期のイオン速度によるイオン到着時間の広がりの補償を促進し、調整可能な速度空間焦点面を可能にする、３ステージイオン源を提供する。当業者に概ね理解されているように、速度空間焦点面の所望の位置は、主にＴＯＦ機器の操作モードによって特定される。
【０１００】
図５を参照する。本教示の３ステージイオン源５００は、試料表面５０４、第一の電極５０６、第二の電極５０８、および第三の電極５１０を有する、試料支持部５０２を備える。さまざまな実施例において、第一ステージ５２０は、試料表面５０４および第一の電極５０６によって画定され、第二ステージ５２２は、第一の電極５０６および第二の電極５０８によって画定され、第三ステージ５２４は、第二の電極５０８および第三の電極５１０によって画定される。さまざまな実施例において、第一ステージ５２０は、試料表面５０４および第二の電極５０８によって画定され、第二ステージ５２２は、第一の電極５０６および第二の電極５０８によって画定され、第三ステージ５２４は、第二の電極５０８および第三の電極５１０によって画定される。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。例えば、第一の電極５０６は、円錐部５１１を有するスキマー状とすることができる。
【０１０１】
さまざまな実施例において、２つ以上の操作モードを有するＴＯＦ質量分析計の操作方法は、試料表面５０４と第三の電極５１０との間に電位差を設定することによってイオンエネルギーを構築するステップと、第一の電極５０６および第二の電極５０８のうちの１つへの電位を変化させることによってイオンを集束させるステップとを含む。さまざまな実施例において、第一の操作モードでは、Ｚ方向における時間集束面の位置は、第一の電位を試料表面５０４に付加し、第二の電位を第一の電極５０６に付加することによって選択され、イオンは、第三の電位を第二の電極５０８に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向に集束される。ＴＯＦ質量分析計の集束では、第二の操作モードに対するＺ方向における時間集束面の位置は、第一の電極５０６に付加された電位を変化させることによって選択され、イオンは、第二の電極５０８に付加された電位を変化させることによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向に集束される。
【０１０２】
試料イオンは、ホルダーの試料表面上に配置された試料にエネルギーパルスを照射することによって発生させることができる。さまざまな実施例において、速度空間焦点面およびｘ，ｙ空間的集束を提供するために、３ステージイオン源は、電源と、試料支持部に電気的に連結された、第一、第二、および第三の電極とを備え、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。非引き出し電場を構築するために、試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。第一の引き出し電場のうちの１つ以上を構築するために、また第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるために、試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１０３】
さまざまな実施態様において、非引き出し電場を遅延電場とすることができ、遅延電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【０１０４】
図５を参照する。第二の所定時間での試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極の相対的な電位の一例を、Ｚ座標５５７の関数として、電位５５５のインセット概略線図５５０に示す。図１および表１のデータのための座標系をインセット座標系基準５６０によって示す。Ｚ軸は、イオン引き出し軸５７０に沿って位置し、Ｙ軸は、図の平面のＺ軸に対して垂直であり、Ｘ軸は、図の平面から外へＺ軸に対して垂直であり、原点は、イオン引き出し軸５７０と試料表面５０４との交点５７５である。
【０１０５】
いくつかの実施例において、第一および第二の電極は、開口を有する。さまざまな実施例において、試料イオンは、第一の電極５０６および第二の電極５０８内の開口の中央を通り抜ける軸によって画定される、第一のイオン光軸５７０に沿って引き出される。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスと第一のイオン光軸とを実質的に一致させるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料表面に実質的に法線方向に第一のイオン光軸に沿って引き出され、エネルギーパルスは、第一のイオン光軸と実質的に一致する。第三の電極は、実質的に平坦なプレートまたはグリッドである、開口電極とすることができる。さまざまな実施例において、第三の電極は、第一、第二、第三の開口電極の開口の中心が実質的に共通の軸となるように配置される。
【０１０６】
第一および第二の電極内の開口が、照射される試料の実質的に中央にあり、第一および第二の電極が、試料表面の法線周辺で実質的に対称である場合、第一のイオン光軸は、試料表面の実質的に法線の角度で試料表面と交差し、引き出し方向は、試料表面の実質的に法線の角度となり、引き出し方向は、第一のイオン光軸に実質的に平行となり、試料イオンは、第一のイオン光軸に沿って引き出される。
【０１０７】
本教示の３ステージイオン源は、イオン源のための更なる調整可能なパラメータを導入することができ、これを使用して、（Ｚ方向における）特定の位置での速度空間焦点面の最適化による、イオンビームのｘ，ｙ空間的集束特性の変化を補償することができる。この更なるパラメータによって、本教示の３ステージイオン源のオペレータは、イオン源の第二ステージの有効長を静電気的に変化させることができ、したがって、速度空間焦点面の位置を損なわずに、イオンビームのｘ，ｙ空間的集束特性の最適化を促進し、その位置は、主にイオン源の第一ステージの電圧比およびジオメトリによって決定される。２ステージイオン源の性質および速度空間焦点面を形成するための操作は、上述した通りであり、例えば、Ｍ．ＶｅｓｔａｌおよびＰ．Ｊｕｈａｓｚ、Ｊ．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃ、９、８９２−９１１（１９９８）を参照のこと。これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【０１０８】
表１乃至６は、実質的に図１に示される３ステージイオン源のイオンビーム特性を２ステージイオン源と比較したものである（すなわち、第三に電極に電位を付加せずに動作する図１の供給源の構成）。表１乃至６のデータは、ＳＩＭＩＯＮ（ｖ７．０、Ｉｄａｈｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）を使用して計算したものであり、その入力パラメータは、ｄ１ ５８０＝２ｍｍ、ｄ２ ５８２＝１３．６７５ｍｍ、ｄ３ ５８４＝３．１７５ｍｍ、および初期のイオン速度＝３００ｍ／ｓである。表１乃至６は、試料支持部の表面の法線に関して、さまざまな初期の速度ベクトル角度（列１）によって形成したイオンに対する、イオンビームの拡散α（すなわち、供給源出口５８６でのイオンビームの角度偏差α）（列５）および２つのＺ位置、供給源出口５８８（列３）、および７４．４ｍｍの位置５９０（列４）でのイオンビームの半径方向位置（例、ＸまたはＹ）を比較したものである。列２は、第三の電極に付加された電位をリストしたものであり、この場合、イオン源の２ステージ操作に対応するゼロ電位である。
【０１０９】
表１乃至３は、試料支持部の表面の法線に対して、０、１５、３０、４５度の初期の速度ベクトルで、原点５７５において形成されたイオンに対する結果を比較したものである。表４乃至６は、試料支持部の表面の法線に対して、０、１５、３０、４５度の初期の速度ベクトルで、Ｙ方向に＋５０ミクロンにて形成されたイオンに対する結果を比較したものである。
【０１１０】
表１乃至６はまた、速度空間焦点面を提供するようにイオン源を動作させた場合の、３つの操作モード（線形ＴＯＦ、イオンミラーＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）に対するイオンビーム特性を比較したものでもある。表１および４は、試料支持部への電位が２０ｋＶ、第一の電極への電位が１９．１ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が３７０ｎｓである場合の線形ＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。表２および５は、試料支持部への電位が２０ｋＶ、第一の電極への電位が１６ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が６００ｎｓである場合のイオンミラーＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。表３および６は、試料支持部への電位が８ｋＶ、第一の電極への電位が７．３ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が４６０ｎｓである場合のＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。
【０１１１】
表１乃至６では電位が与えられているが、本教示には、電位の絶対値はそれほど重要ではないことを理解されたい。さらに、さまざまな電位をゼロまたはグランドと表しているが、これは、単に本願明細書に出現する式における表記の利便性および簡潔さのためのものであることを理解されたい。当業者は、電極における電位が真のグランド電位でなくてもよいことを容易に認識されよう。例えば、電極における電位は、真のアースグランドを著しく（例えば、数千ボルト以上）超える（または下回る）電位の「フローティンググランド」とすることができる。したがって、本願明細書において、ゼロまたはグランドという電位の記述は、いずれにせよ、アースグランドに関して電位の値を制限するものと解釈されてはならない。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
【表２】
【０１１４】
【表３】
【０１１５】
【表４】
【０１１６】
【表５】
【０１１７】
【表６】
比較したデータには、イオンビームにおける角拡散が、全ての操作モードに対して、３ステージイオン源は、２ステージイオン源よりも約１桁またはそれ以下であることが示されている。表１乃至６において、イオン光軸を形成するイオンおよびイオンミラーＴＯＦモード操作に対して、その差異がより顕著である傾向がある。
【０１１８】
図６を参照する。さまざまな実施例において、３領域イオン源６００は、試料支持部６０２、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８を備える。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。例えば、第一の電極は、円錐部６０９を有するスキマー状とすることができる。
【０１１９】
試料イオンは、支持部６０２の試料表面６１２上に配置された試料６１０にエネルギーパルスを照射することによって、また、表面６１２と第三の電極６０８との間の電位差を選択することによって構築した試料イオンエネルギーによって発生させることができる。絶縁層は、試料と試料表面との間に挿入することができる。電源６１４は、試料表面６１２、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８のそれぞれに電気的に連結され、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない第一の領域６２０内の第一の非引き出し電場を構築するように構成される。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、対象となる試料イオンの試料表面から離れる方向への動作を遅延させる、遅延領域とすることができる。電源は、例えば、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加することによって遅延電場を構築することができ、（ａ）第一の電位は、対象となる試料イオンが正のイオンである場合、第二の電位よりも負であり、（ｂ）第一の電位は、対象となる試料イオンが負のイオンである場合、第二の電位よりも正である。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。非引き出し電場を構築するために、試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１２０】
電源はまた、試料表面から離れる第一の方向６２３に、対象となる試料イオンを加速する第一の引き出し電場を、所定時間で少なくとも第一の領域６２０内に構築し、第一の方向６２３に実質的に垂直な方向に、対象となるイオン試料を空間的に集束させる空間的集束電場を、第二の領域６２２と第三の領域６２４のうちの少なくとも１つ以上にわたって構築するように構成される。電源は、例えば、試料表面６１２、第一の電極６０４、および第二の電極６０６のうちの１つ以上への電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができる。１つ以上の第一の引き出し電場および空間的集束電場を構築するために、試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１２１】
例えば、対象となるイオンが正のイオンである場合、電源は、試料表面の電位が第一の電極の電位よりも正であるように、試料表面および第一の電極のうちの１つ以上の電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができ、電源はまた、第二の電極への電位が第三の電極への電位よりも正であるように、第二の電極と第三の電極との間に電位差を構築することによって、第二の引き出し電位を構築することができる。
【０１２２】
例えば、対象となるイオンが負のイオンである場合、電源は、試料表面の電位が第一の電極の電位よりも負であるように、試料表面および第一の電極のうちの１つ以上の電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができ、電源はまた、第二の電極への電位が第三の電極への電位よりも負であるように、第二の電極と第三の電極との間に電位差を構築することによって、第二の引き出し電位を構築することができる。
【０１２３】
電極は、単一の装置、複数のスタンドアロンの装置、複数の統合装置、またはその組み合わせを備えることができる。例えば、電源は、試料支持部および第一の電極に電気的に連結された第一の電源と、第一の電極および第二の電極に電気的に連結された第二の電源と、第二の電極および第三の電極に電気的に連結された第三の電源とを備えることができる。電源は、例えば、手動制御、電子制御、および／またはプログラム可能なものとすることができる。
【０１２４】
本願明細書で使用される用語「電源」は、簡潔な記述を容易にするものであり、制限することを意図したものではない。本願明細書で使用される用語「電源」は、電源が必ずしも単一の装置を備えるわけではないこと、すなわち、試料支持部、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のそれぞれが、複数の装置のそれぞれに電気的に連結された、複数の装置を電源が備える場合、を示唆することを意図したものではない。例えば、再び図６を参照して、さまざまな実施例において、電源６１４は、複数の電源６５０および６５２を備えることができる。電源は、例えばフローティンググランドのような、別の電源に電気的に連結して、例えば基準電位を提供することができる。
【０１２５】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射するように構成された光学システムを含む。さまざまな実施例において、光学システムは、レンズまたは窓を備えることができる。光学システムはまた、ミラーまたはプリズムを備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスとイオンの取り出し方向とが実質的に一致するように構成される。
【０１２６】
再び図６を参照する。さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、供給源の少なくとも一部の周囲に配置された温度制御された表面６６０と、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に接続され、これを加熱することができる加熱システム６７０とを含む。いくつかの実施例において、加熱システム６７０は、その周囲に温度制御された表面６６０が配置されたイオン源の全ての要素、中性ビームの経路内のイオン光学要素、またはその両方に接続される。さまざまな実施例において、加熱システム６７０は、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８に接続される。
【０１２７】
さまざまな実施例において、加熱システム６７０を使用して、イオン源の要素のうちの１つ以上の温度を上昇させて、供給源の要素上に付着する中性物の量を減少させる。中性の付着物の量は、イオン源の要素を加熱して、例えば、加熱された表面上に中性物が固着する可能性を減少させるか、付着物を揮発させるか、またはその両方によって減少させることができる。さまざまな実施例において、温度制御された表面６６０は、イオン源の要素のうちの１つ以上の温度よりも低く保持され、それを使用して中性分子を取り込み、それらが他の表面に付着しないようにする。さまざまな実施例において、温度制御された表面は、中性分子を取り込むように構成および使用され、それによって、イオン源の要素上に付着する中性分子の量が減じられる。イオン光学上の中性の付着物の量は、イオン源の要素の温度よりも、温度制御された表面の温度を低く設定して、例えば、温度制御された表面上に中性物が固着する可能性を増加させるか、脱離した中性物を取り込むか、またはその両方によって減少させることができる。
【０１２８】
さまざまな実施例において、イオン源の要素の１つ以上は、マトリックス分子がこれらの要素に固着しないように加熱され、それによって、これらの要素への絶縁層の蓄積が減じられる。ＭＡＬＤＩ内に発生する中性のプルームは、絶縁層を構築する可能性もある不揮発性の非マトリックス材を少量含むことができるが、この非マトリックス材の濃度は、一般に、マトリックス材のものよりも数桁低い。これによって、一般に、非マトリックス材の付着が顕著になるまでの時間が、より長くなる。加えて、さまざまな実施例において、イオン源の要素の表面を加熱することによって、当該の付着の抵抗率が減少し、したがって、イオンビームを偏向させる非対称の荷電効果をさらに減少させる。
【０１２９】
さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源の要素を加熱することができる加熱システムを含み、これらの要素は、表７にリストされたマトリックス材のうちの１つ以上を脱離するに十分な温度に加熱される。表７の右欄は、ＭＡＬＤＩ研究における関連するマトリックス材に対する代表的な要素の一部をリストしたものである。
【０１３０】
【表７−１】
【０１３１】
【表７−２】
さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源の要素の温度を上昇させることができ、これらの要素は、マトリックス材を脱離するに十分な温度に加熱される。
【０１３２】
さまざまな実施例において、イオン源の要素の１つ以上は、十分に高い温度まで定期的に加熱され、これらの要素の表面上のあらゆる付着物を迅速に気化させる。さまざまな実施例において、「ブランク」または「ダミー」の試料支持部を、例えばイオン源の１つ以上の要素上に形成された付着物が、ブランク（機器から取り除くことができる）上か、温度制御された表面上か、またはその両方に再付着するように、ＭＡＬＤＩ試料支持部の代わりに用いることができる。
【０１３３】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、第四の電極を含む。いくつかの実施例において、第四の電極は、第三の電極に実質的に平行な、平坦なプレートまたはグリッドである。
【０１３４】
第四の電極は、実質的に平坦なプレートまたはグリッドである、開口電極とすることができる。さまざまな実施例において、第四の電極は、第二および第三の開口電極の開口の中心が、実質的に共通の軸となるように配置される。さまざまな他の実施例において、第四の電極は、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置される。さまざまな実施例において、第四の電極が、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置された場合、第四の電極は、試料支持部から引き出す方向に沿って移動する中性分子が、第四の電極と実質的に衝突しないように配置される。
【０１３５】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、第一のイオン偏向板を含み、試料イオンを、引き出す方向とは異なる方向に偏向させる。さまざまな実施例において、第一のイオン偏向板は、第三の電極と第四の電極との間に配置される。さまざまな実施例において、第四の電極は、偏向させた試料イオンを第四の電極が受けられるように、第二の電極と第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置され、また、いくつかの実施例では、第四の電極は、それが質量分析計に試料イオンを導くことを促進にするように配置される。
【０１３６】
ＭＡＬＤＩによるイオン発生は、イオンに加えて中性分子のプルームを生成する。さまざまな実施例において、この中性のプルームの一部は、１つ以上の電極内の開口を通って、実質的に引き出す方向に沿った軸を有する基本的に円錐を形成する。最後の電極の開口サイズおよび最後の電極と試料表面と間の距離は、最後の電極を越えて移動する中性ビームの軸の周囲に、前記円錐の半角（δ）を決定する。さまざまな実施例において、イオン光学素子（例、第四の電極など）が、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置された場合、これらのイオン光学素子は、中性ビーム内の中性分子が軸外のイオン光学素子と実質的に衝突しないように配置することができる。さまざまな実施例において、当該の軸外のイオン光学素子は、中性ビームの軸に垂直な方向に、中性ビームの軸から距離Ｌだけ離れて配置される。さまざまな実施例において、軸外の光学要素は、距離Ｌにおける中性ビームの輝度が少なくとも、中性ビームの軸における中性ビームの輝度の１４％未満、中性ビームの軸における中性ビームの輝度の５％未満、または中性ビームの軸における中性ビームの輝度の１％未満であるように、距離Ｌに配置される。さまざまな実施例において、軸外の光学要素は、距離Ｌが、少なくとも距離Ｌｍｉｎ離れるように配置され、Ｌｍｉｎは次式で与えられる：
Ｌｍｉｎ＝Ｄｚ ｔａｎ（δ） （１）
ここで、Ｄｚは、軸外のイオン光学素子と試料表面との間の引き出す方向における距離であり、δは、最後の要素を越えて移動する中性ビームの円錐の半角であり、中性ビームの円錐の半角（δ）を決定する。
【０１３７】
図７Ａおよび７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム７００の実質的に原寸に比例した図である。図７Ａは前部断面図であり、図７Ｂは断面図である。図７Ａおよび７Ｂの表示を容易にするために、システム７００は、床を方向７０１に、天井を方向７０２に配向し、機器の「前部」は、視点７０３からのものとすることができる。図７Ｃは、図７Ａ一部分の拡大図である。
【０１３８】
図７Ａ乃至７Ｃによって示されるさまざまな実施例は、制限することを意図したものではない。例えば、本教示のイオン源を取り入れたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図７Ａ乃至７Ｃに示されるシステムよりも少ない構成要素を備えるか、またはシステムよりも多い構成要素を備えることができる。加えて、本教示のイオン源を取り入れたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図７Ａ乃至７Ｃに示される部品の配置に必ずしも制限されるものではない。むしろ、示された配置は、本教示を実施する多数のモードの一部である。
【０１３９】
図７Ａ乃至７Ｃを参照する。図示されたシステムは、試料支持部を装着および脱着することができる、真空密閉チャンバー７０６を備えた試料支持部処理システム７０５と、試料支持部を真空密閉チャンバー７０６からイオン源領域７２０に移送するように構成された試料支持部移動機構７０８とを備える。試料支持部移動機構は、イオン源内の１つ以上の次元に試料支持部を平行移動させるための移動機構を備えて、例えば、試料支持部上の２つ以上の試料の連続的な分析を促進することができる。いくつかの実施例において、移動機構は、ｘ−ｙ（２次元）平行移動ステージを備える。
【０１４０】
図７Ｃを参照する。イオン源領域７２０は、試料表面７２４を有する試料支持部７２２と、試料支持部７２２から間隔を隔てた第一次電極７２６と、試料支持部７２２に対向する方向に第一の電極７２６から間隔を隔てた第二の電極７２８と、第一の電極７２６に対向する方向に第二荷の電極７２８から間隔を隔てた第三の電極７３０とを備えた、本教示による３ステージイオン源を備えることができる。
【０１４１】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、イオンビームの実質的に中心で、試料イオン源の加速領域からの出口での軌跡の角度が、実質的に試料イオンの質量に依存しないイオンビームを提供することができる。いくつかの実施例において、当該の軌跡は、試料表面の実質的に法線の照射角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射し、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出して、イオンビームを形成することによって提供される。さまざまな実施例において、エネルギーパルスは、引き出す方向に実質的に平行な第一のイオン光軸と実質的に同軸である。試料表面の実質的に法線の照射角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射し、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出す例は、米国特許第１０／７００，３００号（２００３年１０月３１日出願）に見出すことができ、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【０１４２】
図７Ａおよび７Ｂに示されるシステムは、例えば、線形ＴＯＦ操作、イオンミラー（リフレクトロン）ＴＯＦ操作、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ操作などの、さまざまなモードで操作することができる。線形ＴＯＦの操作モードにおいて、イオン源領域７２０で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的に電場のない領域（第一の実質的にフィールドフリー領域）７４０に引き出され、第一の検出器７４２にドリフトする。実質的にフィールドフリー領域は、領域全体にわたって実質的に一定の電位ではなく、ゼロ電位を必ずしも示唆するものではないことを理解されたい。線形ＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０にはガスが付加されず、イオンミラー７６０はオフである。線形ＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、第一の検出器７４２と一致するように設定される。
【０１４３】
イオンミラー（リフレクトロン）モードにおいて、イオン源領域７２０で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的にフィールドフリー領域７４０に引き出され、イオンミラー７６０に移動し、第二の検出器７６２に反射される。線形ＴＯＦモードのように、イオンミラーＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０にはガスが付加されない。イオンミラーＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、イオンミラー７６０の焦点面と一致するように設定される。その結果、イオンミラーＴＯＦモードにおける時間焦点面の所望の位置は、線形ＴＯＦモード操作におけるものよりもイオン源に近い。
【０１４４】
ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、イオン源領域７２０内で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的にフィールドフリー領域７４０に引き出され、親イオンのｍ／ｚ範囲外に偏向させることによって、イオンフラグメンター（ここでは、衝突セル７５０を備える）に送られる親イオンのｍ／ｚ範囲を選択する、タイムドイオンセレクタ７７０に移動する。ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０は、適切な衝突ガスで満たされ、衝突誘起解離（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：ＣＩＤ）によって親イオンをフラグメント化して、フラグメントイオンを生成する。さまざまな実施例において、フラグメントイオンは、例えば、単分子プロセスが、単分子イオンの流束量を増加させる可能性が高くなるような、試料イオンの単分子解離によって生成することができる。フラグメントイオンは、別の実質的にフィールドフリー領域７７２への１つ以上の出口電極によって構築された電場によって引き出すことができ、フラグメントイオンは、例えば、イオンミラー７６０を使用して分析して、第二の検出器７６２を使用して検出するか、またはイオンミラー７６０を使用せずに分析して、第一の検出器７４２を使用して検出することができる。ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、タイムドイオンセレクタ７７０と一致するように設定される。その結果、ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおける時間焦点面の所望の位置は、イオンミラーまたは線形ＴＯＦモード操作におけるものよりもイオン源に近い。
【０１４５】
さまざまな実施態様において、３ステージイオン源は、試料表面に実質的に法線の角度で、試料支持部７２２の試料表面７２４上の試料にレーザーエネルギーのパルス７８０を照射するように構成される。さまざまな実施例において、光学システムは、窓７８２およびプリズムまたはミラーを７８４を備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。レーザーエネルギーのパルスは、例えば、パルスレーザーまたは連続波（ｃｗ）レーザーによるレーザーシステム７９０によって提供することができる。ｃｗレーザーの出力は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）、交差偏光子、回転チョッパー、およびシャッターを使用して、パルスを生成するように変調することができる。ＭＡＬＤＩによって対象となる試料イオンを生成するための好適な照射波長のあらゆるタイプのレーザーには、これに限定されないが、ガスレーザー（例、アルゴンイオン、ヘリウム−ネオン）、色素レーザー、化学レーザー、固体レーザー（例、ルビー、ネオジムベース）、エキシマレーザー、ダイオードレーザー、およびそれらの組み合わせ（例、ポンプレーザーシステム）が挙げられ、本教示のイオン源および質量分析計システムとともに使用することができる。
【０１４６】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すように構成される。図７Ａ乃至７Ｃにおいて、イオン源は、第一の開口電極７２６と、第二の開口電極７２８とを備える。第一の電極内の開口の中心と、第二の電極内の開口の中心との間の線を使用して、第一のイオン光軸７９２を画定することができる。したがって、さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、放射のパルスおよび第一のイオン光軸が、実質的に同軸であるように、また、さまざまな実施例において、放射のパルスおよび第一のイオン光軸が実質的に一致するように構成される。
【０１４７】
さまざまな実施例において、第一の電極内の開口は、試料支持部７２２を移動することによって照射される試料上に実質的に中心がある。いくつかの実施例において、試料支持部７２２は、１軸平行移動動作、ｘ−ｙ（２軸）平行移動動作、またはｘ−ｙ−ｚ（３軸）平行移動動作が可能な試料支持部移動機構７９４によって保持され、照射のために試料を配置する。第一の電極内の開口が実質的に照射される試料の中心にあり、第一の開口が、試料表面の法線の周囲に実質的に対称である場合、引き出す方向は、実質的に試料表面の法線となる。
【０１４８】
いくつかの実施例において、試料支持部は、複数の試料を保持することができる。好適な試料支持部は、これに限定されないが、６４スポット、９６スポット、および３８４スポットのプレートが挙げられる。試料は、レーザーエネルギーのパルスの波長で吸収し、試料内の対象となる分子の脱離およびイオン化を促進する、マトリックス材を含む。
【０１４９】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、イオン源の少なくとも一部の周囲に配置された温度制御された表面と、第一の電極７２６、第二の電極７２８、および第三の電極７３０のうちの１つ以上に接続された加熱システム７９５と、第一のイオン偏向板７９６とを含む。いくつかの実施例において、加熱システムは、その周囲に温度制御された表面が配置されたイオン源の全ての要素、中性ビームの経路内のイオン光学要素、またはその両方に接続される。
【０１５０】
さまざまな実施態様において、第一のイオン偏向板７９６は、第三の電極７３０と第四の電極７９７との間に配置され、引き出す方向とは異なる方向に、第二のイオン光軸７９８上に試料イオンを偏向させる。管または他の好適な構造７９９を使用して、例えば、イオンを偏向させた後に、浮遊電場から試料イオンを遮蔽するか、電場の均一性を保つか、またはその両方を行う。さまざまな実施態様において、当該の構造７９９は、温度制御された表面としての機能を果たすか、加熱システムに接続するか、またはその両方を行うことができる。
【０１５１】
本教示の３ステージイオン源は、多種多様な質量分析計および質量分析計システムとともに使用することが可能である。質量分析計は、単一の質量分析機器、または例えばタンデム質量分析（しばしばＭＳ／ＭＳと称される）または多次元質量分析（しばしばＭＳｎと称される）を用いた複数の質量分析器とすることができる。好適な質量分析装置には、これに限定されないが、飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置、四重極質量分析装置（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＱＭＳ）、およびイオンモビリティ分析装置（ＩＭＳ）が挙げられる。好適な質量分析計システムはまた、イオン反射器および／またはイオンフラグメンターを含むことができる。好適な質量分析計および好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、本願明細書の他の箇所に記載されたものも挙げられる。
【０１５２】
好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、衝突セル（イオンを中性ガス分子と衝突させることによってイオンをフラグメント化する）、光解離セル（イオンに光子のビームを照射することによってイオンをフラグメント化する）、およびイオンフラグメンター（イオンを固体または液体の表面に衝突させることによってイオンをフラグメント化する）が挙げられる。
【０１５３】
（イオン光学）
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させる方法、およびイオンフラグメンターを備えたイオン光学組立部の操作方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたって入射イオンビームの焦点の位置を実質的に保持し、それによって広範囲のエネルギーにわたって衝突セルに平行イオンビームを供給する方法を提供する。
【０１５４】
図８Ａおよび９を参照する。さまざまな実施例において、イオン光学組立部８００および９００は、減速レンズ８１０および９１０と衝突セル８１５および９１５との間に配置された、第一のイオンレンズ８０５および９０５を備える。第一のイオンレンズは、本願明細書において「集束レンズ」とも称されるが、これは、さまざまな実施例において、半径方向の焦点が第一のレンズ内のイオンビームに対して存在することによるものである。減速レンズ８１０および９１０、および集束レンズ８０５および９０５は、複数のレンズ要素（例、電極）で構成することができる。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。イオン光学組立部は、試料イオンを衝突セルに送る試料イオンを選択するためのタイムドイオンセレクタ９０７を含むことができる。
【０１５５】
減速レンズおよび集束レンズは、レンズ要素を共有することができる。例えば、さまざまな実施例において、減速レンズ８１０および９１０は、第一の電極８２２および９２２と、第二の電極８２４および９２４と、第三の電極８２６および９２６とを備え、集束レンズ８０５および９０５は、第三の電極８２６および９２６と、第四の電極８２８および９２８と、第五の電極８３０および９３０とを備える。さまざまな実施例において、それぞれの電極は、実質的に同じ電位であり、例えば、さまざまな実施例において、第五の電極は、実質的に衝突セルの入口と同じ電位であり、さまざまな実施例において、第一の電極は、実質的に第二の電極と電位であり、さまざまな実施例において、第三の電極は、実質的に第五の電極と同じ電位である。
【０１５６】
図８Ｂを参照する。イオン光学組立部のイオン光軸８３５に沿った方向Ｄ ８３４の関数として、電位８３２の概略線図を示したものである。電位の絶対値および相対値は、原寸に比例したものではなく、図８Ｂは、単に、方向Ｄに進むにつれて電位が増加するのか、減少するのかを示すことを意図するものであると理解されたい。さらに、一般的な規則によって、電位の線図は、対象となる試料イオンが正のイオンである場合について描画されたのもであるが、負のイオンについての図は、電位が、方向Ｖ ８３２に減少するとみなされる場合に得ることができることも理解されたい。
【０１５７】
図８Ａ乃至９を参照する、さまざまな側面において、本教示は、ある供給源の電位で形成された試料イオンを集束させるための方法を含む。さまざまな実施例において、本方法では、減速レンズ８１０によって第一の電場（減速電場）を形成し、第一の電位を減速レンズの電極に付加することによって、入ってくる試料イオンを減速し、減速レンズ８１０と第一のイオンレンズ８０５との間に第二の電場（加速電場）を構築し、第二の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズから離れるように第一のイオンレンズに試料イオンを加速し、第一のイオンレンズ８０５と入口８３７との間に第三の電場（減速電場）を構築して、第三の電位を衝突セルの入口に付加することによって、衝突セルに入る前に試料イオンを減速する。
【０１５８】
例えば、さまざまな実施例において、減速電位を第一の電極８２２および第二の電極８２４にのうちの１つ以上に付加することによって、減速電位を減速レンズ８１０に付加することができる。例えば、第一の電極８４２の電位および／または第二の電極８４４の電位が入力（ｅｎｔｒｙ）電位８４０よりも大きい場合、入力電位８４０の領域から減速レンズに入る正の試料イオン（例、プロシーディングドリフト領域、イオン光学素子など）は減速電位に遭遇する。図８Ｂでは第一の電極および第二の電極への電位が異なるように示されているが、それらは同じになる可能性もある。正の試料イオンに対する加速電位差は、減速レンズへの電位８４４未満である電位８４６を第一のイオンレンズの電極８２８に付加することによって、減速レンズ８１０と第一のイオンレンズ８０５との間に構築することができる。正の試料イオンに対する減速電位差は、イオンレンズの電位８４６を超える電位８４８を衝突セルの入口に付加することによって、第一のイオンレンズ８０５と衝突セルへの入口８３７との間に構築することができる。さまざまな実施例において、それぞれの電極は、実質的に同じ電位であり、例えば、さまざまな実施例において、第三の電極と、第五の電極と、衝突セルへの入口は、実質的に同じ電位８４８である。
【０１５９】
さまざまな実施例において、試料イオンは、減速レンズ８１０および９１０への入口８５２から距離Ｆ離れた焦点に実質的に集束される。さまざまな実施例において、本方法は、集束レンズ８０５への電位を変化させることによって、衝突エネルギーの範囲にわたって、イオン光学組立部内の実質的に同じ位置で、平行入力イオンビームの焦点を保持する。さまざまな実施例において、第一の衝突エネルギーと第二の衝突エネルギーとの間の差が、約５０００電子ボルト未満である場合、距離Ｆは、（ａ）約±４％未満、（ｂ）約±２％未満、および／または（ｃ）約±１％未満で変動する。
【０１６０】
表８は、入口８５２からの距離Ｆの焦点に集束させた入力直径８６０の、および出力直径８６４の平行イオンビーム８６２を形成する平行入力イオンビームに対する、２つの異なる衝突エネルギー、５００電子ボルト（ｅＶ）および１０００ｅＶでの焦点位置に関するデータを示す。図８Ａにおいて、衝突セル８１５の後ろのイオン光学素子８７０に電位を付加した。表８を参照する。本教示により、衝突エネルギーを５００ｅＶから１０００ｅＶに変化させ、減速レンズ８１０への電位を変化させたときに、算出した焦点位置の変化が１％未満であることがわかる。
【０１６１】
表９および図１０Ａは、本教示のさまざまな実施例による、衝突エネルギーの範囲にわたって実質的に３４ｍｍの距離Ｆに焦点を保持する、減速レンズ８１０および集束レンズ８０５の適用のための、算出した電位に関するデータを示す。
【０１６２】
表１０および図１０Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、衝突エネルギーの範囲にわたって実質的に３４ｍｍの距離Ｆに焦点を保持する、減速レンズ８１０および集束レンズ８０５の適用のための、算出した電位に関するデータを示し、焦点は、減速イオンレンズ８１０への電位を実質的に保持し、第一のイオンレンズ８０５への電位を変化させることによって、実質的に距離Ｆ＝３４ｍｍに保持される。例えば、５００ｅＶの衝突エネルギーデータの場合、減速イオンレンズの電位（６２００Ｖ）は、他の衝突エネルギーで付加された電位（６３５０Ｖ）の２．５％未満である。
【０１６３】
表８、９、および１０、ならびに図１０Ａおよび１０Ｂのデータは、ＳＩＭＩＯＮ（ｖ７．０、Ｉｄａｈｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）を使用して計算したものであり、入力および出力パラメータは表にリストしたものである。表９および１０は、それぞれ、図１０Ａおよび１０Ｂにプロットされた値を提供する。ＳＩＭＩＯＮ計算に使用した構造は、実質的に図８Ａに示されるものであり、その構造要素は実質的に原寸に比例する。図８Ａにおける構造の絶対的なサイズの推定は、図８Ａに示されるように、第一の電極８２２への入口と焦点距離Ｆとの間の距離が約３４ｍｍであることに注目することによって行うことができる。
【０１６４】
表８乃至１０および図１０Ａおよび１０Ｂでは電位が与えられているが、本教示には、電位の絶対値はそれほど重要でないことを理解されたい。さらに、さまざまな電位をゼロまたはグランドと表しているが、これは、単に本願明細書の表記の利便性および簡潔さのためのものであることを理解されたい。当業者は、電極における電位が真のグランド電位である必要がないことを容易に認識されよう。例えば、電極における電位は、真のアースグランドを著しく（例えば、数千ボルト以上）超える（または下回る）電位の「フローティンググランド」とすることができる。したがって、本願明細書において、ゼロまたはグランドという電位の記述は、いずれにせよ、アースグランドに関して電位の値を制限するものと解釈されてはならない。
【０１６５】
【表８】
【０１６６】
【表９】
【０１６７】
【表１０】
（イオン光学組立部）
さまざまな側面において、本教示は、イオン光学素子の調整を容易にする機能を有するイオン光学組立部を提供する。図１１および１２を参照する。さまざまな実施例において、本教示のイオン光学組立部１１００および１２００は、取り付け本体１１０５および１２０５と、第一の複数のイオン光学素子１１１０および１２１０と、前面部材１１１４および１２１４と、前面固定部材１１１８（図１２では前面部材に隠れている）と、第二の複数のイオン光学素子１１２０および１２２０と、背面部材１１２４および１２２４と、背面固定部材１１２８および１２２８とを備える。前面部材１１１４および１２１４、ならびに背面部材１１２４および１２２４は、少なくとも１つの取り付け部材１１３０および１２３０によって取り付け本体１１０５に取り付けられる。
【０１６８】
端部部材（前面部材１１１４および１２１４、ならびに背面部材１１２４および１２２４）は、それらが関連する固定部材（それぞれ、前面１１１８、および背面１１２８および１２２８）に係合されたときに、固定部材の接触面が、関連する複数の要素（例えば、第一の複数の要素１１４２と接触する前面部材接触面１１４０、および第二の複数の要素１１４６と接触する背面部材接触面１１４４）と接触することができ、複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加することができるようにねじが付けられる。
【０１６９】
さまざまな実施例において、イオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、それぞれの固定部材によって圧縮力が付加されて、前記レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、その近傍に対してイオン光学素子を調整するイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【０１７０】
例えば、凹部構造１１５０は、補助的レジストレーション構造（例、ピン、スペーサなど）を受けうるように構成された、例えばスロット、カウンターボア、孔などを備えることができ、凹部構造１１５２は、イオン光学素子面と交差する第一の表面を備えて、例えば、要素の面上にコーナー部を形成し、それに対して隣接するイオン光学素子を調整することができる。さまざまな実施例において、レジストレーション構造は、スペーサ１１５４（電気的に絶縁することができる）としての機能を果たし、イオン光学要素に適切な間隔を隔てることができる。さまざまな実施例において、レジストレーション構造は、例えば、隣接するようその面上のコーナー部に対して調整することができるコーナー部１１５６のような、イオン光学素子の形状によって提供される。
【０１７１】
本教示において、イオン光学素子は、それぞれの固定部材によって圧縮力を付加することによって調整される。圧縮力は、固定部材上のねじをそれぞれの端部部材上のねじと係合させることによって付加される。本願明細書で使用する場合、用語「ねじ」および「ねじ付き」は、これに限定されないが、ヘリカル稜、スパイラル稜、および円形稜を含む。したがって、これらの用語は、これに限定されないが、完全な円または完全な円の部分を形成する平行の陵を含む。稜は、連続的または断続的とすることができる。例えば、陵に切り欠きを付けて、これらの空間に閉じ込められたガス、または供給されるガスの排出を容易にする。
【０１７２】
ねじがヘリカルまたはスパイラル陵を有する場合のさまざまな実施例において、固定部材をそれぞれの端部部材にねじ込んで、圧縮力を付加することができる。ねじが円形陵を有する場合のさまざまな実施例において、固定部材を（例えばスナップ取り付けを提供する）それぞれの端部部材に押し込んで、圧縮力を付加することができる。さまざまな実施例において、固定部材は自己固定であり、例えば、イオン光学レンズが、輸送時または機器の振動によって緩まないようにすることができる。さまざまな実施例において、固定部材は、予め選択されたトルクが付加されたときに自己固定となる。さまざまな実施例において、固定部材は、押し込んだとき（例えばスナップ取付けを提供する）に自己固定となり、固定部材の調整を含み、例えば、固定部材（押し込んだときにねじ内の切り欠きを貫通する）上の構造をねじの後ろの位置まで回転させて、固定部材を適所に固定することもできる。
【０１７３】
端部部材は、あらゆる適切な手段によって取り付け本体に取り付けることができる。取付けは、永続的または可逆的とすることができる。図１１は、取り付け手段の限定されない一例を示すが、当業者は、多数の他の手段が利用可能であると認識されよう。例えば、さまざまな実施例において、端部部材は、ねじ付きロッドを使用して取り付けられ、このロッドの一端は、取り付け本体に押されるか、またはねじ込まれ、他端は、ボルトによって端部部材に取り付けられる。
【０１７４】
さまざまな実施例において、取り付け本体は、イオンフラグメンテーションを行うための領域を備える。例えば、さまざまな実施例において、取り付け本体は、例えば衝突ガスを提供するための流路１１７２を有する衝突セル１１７０と、真空ポンプとの流体連通のための開口部１１７６とを備える。
【０１７５】
さまざまな実施例において、本教示に記載されているように、固定部材によるイオン光学素子の圧縮によるそれらの調整は、イオン光学素子の調整および組立てを簡素化することができる。本教示において、イオン光学素子の圧縮および調整には、トルクパターンが不要である。さまざまな実施例において、固定部材は、イオン光学部材を適所に固定することができるので、輸送のためにイオン光学組立部を固定する更なる部品を必要としない。
【０１７６】
さまざまな側面において、本教示は、イオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムを提供する。図１２を参照する。さまざまな実施例において、取り付けおよび調整システムは、取り付け表面１２４２を有する取り付け基礎１２４０と、取り付け表面に対向する背部表面１２４４とを有する。複数対の突出部１２５０は、取り付け表面１２４２から突出し、１つ以上の取り付け構造１２５２は、突出部の各対に関連付けられ、少なくとも１つの電気的接続要素１２５４は、突出部の各対に関連付けられ、電気的接続要素は、背部表面から取り付け表面まで取り付け基礎を貫通する。本システムは、２つ以上のイオンの光学的要素支持部１２６０も備え、それぞれのイオンの光学的要素支持部は、複数対の突出部のうちの１つ以上を受けるように構成された一対の凹部を有する（取り付け表面と接触させるイオンの光学的要素支持部の面上の各凹部の一般的な位置は、対応する突出部に接続する破線１２６２によって示される）。
【０１７７】
取り付け表面上の複数対の突出部およびそれらの対応する凹部の位置は、イオンの光学的要素支持部の一対の凹部が、一対の突出部に関連付けられた１つ以上の取り付け構造を使用してイオンの光学的要素を取り付け基礎に取り付けることによって、対応する対の突出部と調整されるときに、前記イオンの光学的要素に取り付けられたイオンの光学的要素が、そのように取り付けられた他のイオンの光学的要素と実質的に一致し、前記イオンの光学的要素上の電気的接続部位（例、１２８０）は、対応する一対に突出部に関連付けられた対応する電気的接続要素に隣接するように構成される。
【０１７８】
多種多様な突出部および補助的な凹部の形状には、これに限定されないが、孔および／またはスロットと嵌合するピンを使用することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、イオンの光学的要素支持部の１つの配向だけが、イオンの光学的要素支持部の対の凹部を、対応する対の突出部によってレジストレーションに導くことができるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、一意の凹部および突出部パターンを使用して、イオンの光学的要素支持部を配向することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、異なるイオンの光学的要素に対して、異なる形状を有するように構成される。
【０１７９】
（質量分析計システム）
さまざまな側面において、本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを提供する。図１Ａ乃至１Ｄ、２、３、および７Ａ乃至７Ｃを参照する。さまざまな実施例において、質量分析計システムは、（ａ）エネルギーパルスが、試料表面に実質的に法線の角度で試料表面の試料に衝突するように、試料表面１９２および３７５上の試料３７０にエネルギーパルス１６５を照射するように構成された光学システム７８２および７８４と、（ｂ）本教示のＭＡＬＤＩイオン源７２０と、（ｃ）第一のイオン光軸１６６および７９２からのイオンを偏向させるように構成されたイオン偏向板７９６であって、それに沿ってイオンが質量分析計システムおよび第二のイオン光軸１９４および７９８に引き出されるイオン偏向板と、（ｄ）イオン偏向板７９６とタイムドイオンセレクタ１４２および７７０との間に配置された第一の実質的にフィールドフリー領域１２０および７４０であって、タイムドイオンセレクタは、第一の実質的にフィールドフリー領域と衝突セル１４４および７５０との間に配置されるフィールドフリー領域と、（ｅ）衝突セルと第一のイオン検出器１２５との間に配置された第二の実質的にフィールドフリー領域１２２と、（ｆ）第二の実質的にフィールドフリー領域と第一のイオン検出器との間に配置されたイオンミラー１３０と、（ｇ）イオンミラーと第二のイオン検出器１３５との間に配置された第三の実質的にフィールドフリー領域１２４とを備える。タイムドイオンセレクタは、第二のイオン光軸に沿って移動するイオンを受けるように配置され、衝突セルへ伝送するイオンを選択するように構成される。
【０１８０】
さまざまな実施例において、光学システムは、窓７８２およびプリズムまたはミラー７８４を備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。さまざまな実施例において、１つ以上の構造１９０が提供され、例えば、試料イオンがイオンミラー１３０から第二の検出器１３５に移動するときに、浮遊電場から試料イオンを遮蔽するか、電場の均一性を保つか、またはその両方を行う。
【０１８１】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩイオン源７２０は、試料支持部７２２から間隔を隔てた第一の電極７２６と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極７２８と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極７３０とを備え、試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速し、第一の引き出し電場は、エネルギーパルスと実質的に同軸の第一のイオン光軸に沿って、試料表面から離れる第一の方向に試料イオンを加速する、および第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【０１８２】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、真空密閉チャンバー１０６と、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバー１６０とをさらに備える。試料支持部変更機構２１０は真空密閉チャンバー内に配置され、試料支持部移動機構１０８は試料チャンバー内に配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内のフレーム３１０内に配置されるように、試料支持部変更機構の装着領域２２０から試料支持部を引き出すように構成される。試料支持部移動機構は、エネルギーパルス１６４による試料支持部の表面上の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、前記試料支持部は、試料支持部移動機構内に保持される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ１１２上に装着され、試料支持部は、試料チャンバー内にあり、前記試料イオンは、第一のイオン光軸１６６および７９２に沿って引き出される。
【０１８３】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【０１８４】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、その中に配置された１つ以上の温度制御された表面をさらに備える。
【０１８５】
さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタ１４２および７７０、および衝突セルは、イオン光学組立部１９５の部分１４４および７５０を備え、イオン光学組立体は、前面部材１９７と取り付け本体１９８の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子１９６を備える。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材１９９によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。取り付け本体は、衝突セルを収容し、タイムドイオンセレクタは、イオン光学素子のうちの少なくとも１つを備える。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【０１８６】
ＭＡＬＤＩによってイオンを発生させると、イオンに加えて中性分子のプルームを生成する。イオン光学素子が、第一のイオン光軸１６６および７９２内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置される場合のさまざまな実施例において、これらの光学素子は、中性ビーム内の中性分子が、軸外のイオン光学素子と実質的に衝突しないように配置することができる。さまざまな実施例において、当該の軸外のイオン光学素子は、式（１）で求められるように、距離Ｌだけ離して配置することができる。
【０１８７】
（質量分析計）
多種多様な質量分析計を、本教示のさまざまな側面とともに使用することが可能である。質量分析計は、単一の質量分析機器、または例えばタンデム質量分析（しばしばＭＳ／ＭＳと称される）または多次元質量分析（しばしばＭＳｎと称される）を用いた複数の質量分析器とすることができる。好適な質量分析装置には、これに限定されないが、飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置、四重極質量分析装置（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＱＭＳ）、およびイオンモビリティ分析装置（ＩＭＳ）が挙げられる。好適な質量分析計システムはまた、イオン反射器および／またはイオンフラグメンターを含むことができる。
【０１８８】
好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、衝突セル（イオンを中性ガス分子と衝突させることによってイオンをフラグメント化する）、光解離セル（イオンに光子のビームを照射することによってイオンをフラグメント化する）、およびイオンフラグメンター（イオンを固体または液体の表面に衝突させることによってイオンをフラグメント化する）が挙げられる。
【０１８９】
さまざまな実施例において、質量分析計は、主イオンを選択し、および／またはそのフラグメントイオンを検出および分析するための三連四重極質量分析装置を備える。さまざまな実施例において、第一の四重極は、主イオンを選択する。第二の四重極は、イオンの一部をフラグメント化させる複数の低エネルギー衝突が生じるように、十分に高い圧力および電圧に保持される。第三の四重極は、走査されてフラグメントイオンのスペクトルを分析する。
【０１９０】
さまざまな実施例において、質量分析計は、主イオンを選択し、および／またはそのフラグメントイオンを検出および分析するための、２つの四重極質量フィルタと、ＴＯＦ質量分析装置とを備える。さまざまな実施例において、第一の四重極は、主イオンを選択する。第二の四重極は、イオンの一部をフラグメント化させる複数の低エネルギー衝突が生じるように、十分に高い圧力および電圧に保持され、ＴＯＦ質量分析装置は、フラグメントイオンのスペクトルを検出および分析する。
【０１９１】
さまざまな実施例において、本教示とともに使用する質量分析計は、２つのＴＯＦ質量分析計と、１つのイオンフラグメンター（例えば、ＣＩＤまたはＳＩＤなど）とを備える。さまざまな実施例において、第一のＴＯＦは、イオンフラグメンターへの導入のための主イオンを選択し、第二の質量分析装置は、フラグメントイオンのスペクトルを検出および分析する。ＴＯＦ分析器は、線形または反射分析器とすることができる。
【０１９２】
さまざまな実施例において、質量分析計は、飛行時間型質量分析装置と、イオン反射器とを備える。イオン反射器は、ＴＯＦのフィールドフリードリフト領域の端部に配置され、これを使用して、イオンの飛行経路を変更することによって、初期の運動エネルギーの影響を補償する。さまざまな実施例において、イオン反射器は、加速電圧よりもわずかに大きなレベルまで上昇させる電位によって付勢される一連のリングから構成される。操作中に、イオンが反射器を貫通するとき、それらの電場の方向における速度がゼロになるまで、イオンが減速される。ゼロ速度点では、イオンの方向が反転し、反射器を通って逆方向に加速される。イオンは、入ったときのエネルギーと同じエネルギーだが、反対方向の速度で反射器を出る。より大きなエネルギーを有するイオンは、より深く反射器を貫通し、結果的に、より長い時間反射器内に残存する。反射機内で使用する電位は、質量および電荷と同等のイオンが実質的に同時に到着するように選択されて、イオンの飛行経路を変更する。
【０１９３】
さまざまな実施例において、質量分析計は、対象となる主試料イオンを選択するタンデムイオンセレクタと、試料イオンのフラグメントを生成するフラグメンテーションチャンバー（またはイオンフラグメンター）と、フラグメントイオンを分析する質量分析計とを有する第一のフィールドフリードリフト領域を備えた、タンデムＭＳ−ＭＳ機器を備える。さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタは、パルスイオン偏向板を備える。さまざまな実施例において、第二のイオン偏向板を、さまざまな前記タンデムＭＳ／ＭＳ機器内のパルスイオン偏向板として使用することができる。操作のさまざまな実施例において、パルスイオン偏向板によって、選択した質量電荷比の範囲内にあるイオンだけをイオンフラグメンテーションチャンバーに送ることができる。さまざまな実施例において、質量分析計は、飛行時間型質量分析装置である。質量分析計は、イオン反射器を含むことができる。さまざまな実施例において、フラグメンテーションチャンバーは、イオンのフラグメンテーションを生じさせ、引き出しを遅延させるようにデザインされた衝突セルである。さまざまな実施例において、フラグメンテーションチャンバーは、飛行時間型質量分析装置によるフラグメントイオンの分析のための、遅延引き出しイオン源としての機能を果たすこともできる。
【０１９４】
さまざまな実施例において、質量分析計は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンの経路に沿って配置された、第一、第二、および第三のＴＯＦ質量分離器を有する、タンデムＴＯＦ−ＭＳを備える。第一の質量分離器は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンを受けるように配置される。第一の質量分離器は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンを加速し、それらの質量電荷比に基づいて複数のイオンを分離し、それらの質量電荷比に基づいて、前記複数のイオンから第一の群のイオンを選択する。第一の質量分離器はまた、第一の群のイオンの少なくとも一部をフラグメント化する。第二の質量分離器は、第一の質量分離器によって発生された第一の群のイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。第二の質量分離器は、第一の群のイオンおよびそのフラグメントを加速し、それらの質量電荷比に基づいて第一の群のイオンおよびそのフラグメントを分離し、それらの質量電荷比に基づいて、第一の群にイオンおよびそのフラグメントから第二の群のイオンを選択する。第二の質量分離器はまた、第二の群のイオンの少なくとも一部をフラグメント化する。第一および／または第二の質量分離器はまた、イオンガイドと、イオン集束要素および／またはイオン操作要素とを含むことが可能である。さまざまな実施例において、第二のＴＯＦ質量分離器は、第一の群のイオンおよびそのフラグメントを減速させる。さまざまな実施例において、第二のＴＯＦ質量分離器は、フィールドフリー領域と、実質的に第二の所定の範囲内の質量電荷比であるイオンを選択するイオンセレクタとを含む。さまざまな実施例において、第一および第二のＴＯＦ質量分離器のうちの少なくとも１つは、フラグメント化されたイオンを選択するタイムドイオンセレクタを含む。さまざまな実施例において、第一および第二の質量分離器のうちの少なくとも１つは、イオンフラグメンターを含む。第三の質量分離器は、第二の質量分離器によって発生されたイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。第三の質量分離器は、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを加速し、それらの質量電荷比に基づいて、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを分離する。さまざまな実施例において、第三の質量分離器は、パルス加速を使用して、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを加速する。さまざまな実施例において、イオン検出器は、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。さまざまな実施態様において、イオン反射器は、フィールドフリー領域内に配置され、第一または第二の群のイオンおよびそのフラグメントがイオン検出器に到達する前に、それらのうちの少なくとも１つのエネルギーを補正する。
【０１９５】
さまざまな実施例において、実量分析計は、複数の飛行経路か、同時に実行することができる複数の操作モードか、またはその両方を有するＴＯＦ質量分析計を備える。前記ＴＯＦ質量分析計は、第一のイオン経路、第二のイオン経路、または第三のイオン経路に沿って質量分析計に入る試料イオンのパケットから選択されるイオンを導く、経路選択イオン偏向板を含む。いくつかの実施例において、より多くのイオンの経路を用いることが可能である。さまざまな実施例において、第二のイオン偏向板を、経路選択イオン偏向板として使用することができる。時間依存電圧は、経路選択イオン偏向板に付加され、利用可能なイオン経路の中から選択し、所定の質量電荷比の範囲内にある質量電荷比を有するイオンは、選択されたイオン経路に沿って伝播することができる。
【０１９６】
例えば、複数の飛行経路を有するＴＯＦ質量分析計の操作のさまざまな実施例では、第一の所定の電圧が、第一の所定の質量電荷比の範囲に対応する第一の所定時間の間、経路選択イオン偏光板に付加され、それによって、第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、第一のイオン経路に沿って伝播させる。さまざまな実施例において、前記第一の所定の電圧はゼロであり、イオンが初期の経路に沿って伝播し続けられるようにする。第二の所定の電圧は、第二の所定の質量電荷比の範囲に対応する第二の所定時間の間、経路選択イオン偏光板に付加され、それによって、第二の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、第二のイオン経路に沿って伝播させる。第三、第四などを含む更なる時間範囲および電圧を用いて、特定の測定に必要とされるだけの数のイオン経路に適応することができる。第一の所定電圧の振幅および極性は、イオンを第一のイオン経路へと変更させるように選択され、第二の所定電圧の振幅および極性は、イオンを第二のイオン経路へと変更させるように選択される。第一の時間間隔は、第一の所定の質量電荷比の範囲内にあるイオンが経路選択イオン偏向板を通って伝播するの時間に対応するように選択され、第二の所定の質量電荷比の範囲内にあるイオンが経路選択イオン偏向板を通って伝播するの時間に対応するように選択される。第一のＴＯＦ質量分離器は、第一のイオン経路に沿って伝播する第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンのパケットを受けるように配置される。第一のＴＯＦ質量分離器は、第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、それらの質量に基づいて分離する。第一の検出器は、第一のイオン経路に沿って伝播している第一の群のイオンを受けるように配置される。第二のＴＯＦ質量分離器は、第二のイオン経路に沿って伝播するイオンのパケットの一部を受けるように配置される。第二のＴＯＦ質量分離器は、第二の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、それらの質量に基づいて分離する。第二の検出器は、第二のイオン経路に沿って伝播している第二の群のイオンを受けるように配置される。いくつかの実施例において、第三、第四などを含む更なる質量分離器および検出器は、対応する経路に沿って導かれたイオンを受けるように配置することが可能である。一実施例では、第三の所定に質量範囲内にあるイオンを破棄する第三のイオン経路を用いる。第一および第二の質量分離器は、あらゆるタイプの質量分離器とすることができる。例えば、第一および第二の質量分離器のうちの少なくとも１つは、フィールドフリードリフト領域、イオン加速器、イオンフラグメンター、またはタイムドイオンセレクタを含むことができる。第一および第二の質量分離器は、複数の質量分離機器を含むこともできる。さまざまな実施例において、イオン反射器を含み、第一の群のイオンを受けるように配置され、それによって、イオン反射器は、第一の群のイオンに対するＴＯＦ質量分析計の分解能を向上させる。さまざまな実施例において、イオン反射器を含み、第二の群のイオンを受けるように配置され、それによって、イオン反射器は、第二の群のイオンに対するＴＯＦ質量分析計の分解能を向上させる。
【０１９７】
全ての文献、および特許、特許出願書、記事、書籍、専門書、論文、およびウェブページを含む、本出願に引用した類似した資料は、当該の文献および類似した資料のフォーマットに関係なく、参照することによりそれらの全体が明白に組み込まれる。定義された用語、用語の使用、記述された技術などを含む、組み込まれた文献および類似した資料のうちの１つ以上が、本出願と異なるか、または矛盾する場合、本出願が管理する。
【０１９８】
本願明細書に使用された項見出しは、単に構成目的のためであり、いずれにせよ、記述された内容を制限するものとして解釈されるものではない。
【０１９９】
本教示は、さまざまな実施例および例とともに記述されているが、本教示が当該の実施例または例を制限することを意図するものではない。逆に、本教示は、さまざまな代替案、改良、および同等物を包含することが、当業者に理解される。
【０２００】
請求項は、そのような趣旨で述べられたものでない限り、記述された順序または要素に制限するものであると読み取るべきではない。本発明は、特定の例示的実施例を参照して特に示され、記述されているものであるが、添付の請求項の範囲を逸脱しない限り、形態および詳細におけるさまざまな変更が可能であると理解されたい。一例として、開示された機能のうちのいずれかを他の開示された機能のうちのいずれかと組み合わせて、本教示のさまざまな実施例によるＭＡＬＤＩイオン形成および質量分析計の作成を行うことができる。例えば、開示された試料処理機構、イオン源、光学システム、イオン光学システム、加熱システム、温度制御された表面の構成、イオン光学組立部、および質量分析計のいずれかの２つ以上を組み合わせて、本教示のさまざまな実施例による質量分析計を作成することができる。したがって、以下の請求項およびその同等物の範囲および趣旨に入る全ての実施例を主張するものである。
【図面の簡単な説明】
【０２０１】
【図１Ａ】図１Ａは、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例の正面断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例の側面断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃおよび図１Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂの真空密閉チャンバー、試料チャンバーおよびイオン形成領域部分を拡大した図である。
【図１Ｄ】図１Ｃおよび図１Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂの真空密閉チャンバー、試料チャンバーおよびイオン形成領域部分を拡大した図である。
【図２】図２は、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構および真空密閉チャンバーの等角図である。
【図３】図３は、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構を装着した試料支持部を備えた試料支持部移動機構の等角図である。
【図４Ａ】図４Ａおよび図４Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構の等角図であって、図４Ａは、試料支持部移動機構部を示す図であり、図４Ｂは、試料支持部変更機構部を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａおよび図４Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構の等角図であって、図４Ａは、試料支持部移動機構部を示す図であり、図４Ｂは、試料支持部変更機構部を示す図である。
【図５】図５は、例示的なイオン軌道を有する本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を概略的に示す図である。
【図６】図６は、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を概略的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａおよび図７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムの断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａおよび図７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムの断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、イオン源の部分に注目した、図７Ａの一部の拡大図である。
【図８Ａ】図８Ａは、イオンフラグメンターと、イオン光学素子とを備えたイオン光学組立部の図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、組立部のさまざまな素子への電位を概略的に示す図である。
【図９】図９は、イオンフラグメンターと、イオン光学素子とを備えたイオン光学組立部の断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８Ａのイオン光学組立部に対する、異なる衝突エネルギーでのさまざまなイオン光学への電位の棒グラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８Ａのイオン光学組立部に対する、異なる衝突エネルギーでのさまざまなイオン光学への電位の棒グラフである。
【図１１】図１１は、本教示のイオン光学組立部のさまざまな実施例の側断面図である。
【図１２】図１２は、本教示のイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムのさまざまな実施例の等角図である。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６０／６５１，５６７号（２００５年２月９日出願）および米国特許出願第１１／１２９，６５８号（２００５年５月１３日出願）の利益および優先権を主張し、これら出願の全開示は、参照により本明細書に引用される。
【背景技術】
【０００２】
（導入）
マトリックス支援レーザー脱離イオン化（Ｍａｔｒｉｘ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：ＭＡＬＤＩ）技術の開発は、質量分析計によって研究できる生体分子の範囲を大きく広げた。ＭＡＬＤＩ技術によって、通常、不揮発性分子をイオン化させて、分析に好適な、気相状態にある完全な分子イオンを生成することができる。ＭＡＬＤＩ機器のうちの１つの種類（生体分子の研究において特定の用途が見出されている）には、ＭＡＬＤＩタンデム飛行時間型質量分析装置があり、以降、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ／ＭＳ機器と称する。
【０００３】
従来のタンデム質量分析機器（ＭＳ／ＭＳ）では、直列の多重質量分離器を使用している。ＭＳ／ＭＳ機器を使用して、例えばタンパク質の配列のような構造的情報を特定することができる。従来のＭＳ／ＭＳ技術では、第一の質量分離器（しばしば質量分析の第一の次元と称する）を使用して、選択された質量電荷（ｍ／ｚ）範囲にある分子イオン（しばしば「親イオン」または「前駆イオン」と称する）をイオンフラグメンター（例、衝突セル、光解離領域など）に送ってフラグメントイオン（しばしば「娘イオン」と称する）を生成し、第二の質量分離器（しばしば質量分析の第二の次元と称する）を使用してそれらの質量スペクトルを得る。
【０００４】
飛行時間型（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）質量分析装置は、イオンの電荷に対するイオンの質量の割合に基づいてイオンを識別し、しばしばｍ／ｚと略記される。従来のＴＯＦ技術は、異なる質量電荷比（ｍ／ｚ）のイオンは、それらが全て同じ電場に曝されると、異なる速度に達するという事実に依存しており、その結果、イオンが検出器に到達する時間（イオン到着時間または飛行時間と呼ばれる）は、イオン質量を代表するものとなる。理論的には、所与の質量電荷比の各イオンは、一意の到着時間を有するはずである。その結果、質量が異なるイオンの混合物は、それぞれが異なるイオン質量に対応する到着時間信号のスペクトルを生成するはずである。当該のスペクトルは、一般的に到着時間スペクトル、または単純に質量スペクトルと称される。しかし、実用上は、正確な結果を得ることは容易ではなく、分析に要求される正確さが増すほど、そのタスクがより困難になる。
【０００５】
ＭＡＬＤＩ質量分析装置の複数の操作構成（生体分子の研究において特定の用途が見出されている）には、線形飛行時間型（「ＴＯＦ」）質量分析装置、リフレクトロンＴＯＦ質量分析装置、およびタンデムＴＯＦ質量分析装置があり、以降、ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ機器と称するこれらの構成のそれぞれには、例えば、対象となる生体分子、研究の内容などに依存して、それ自体の利点と不利点がある。したがって、調査者がある操作モード（例、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）から別のモードに切り替えることができるように構成された市販の機器が存在する。
【０００６】
操作モードを切り替えることができる機器が存在するが、ある操作モード（例、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）に良好な分解能および感度を提供する前記機器の構成および操作条件によって、他の操作モードに対する分解能および感度が著しく悪化する可能性がある。その結果、従来の機器では、しばしば、これら３つの操作モードのうちの少なくとも１つの解像度および／または感度を備え、３つ全てのモードにおいて許容可能な分解能および感度を有する機器を提供しなければならない。
【０００７】
質量分析計を用いた多くの生体分子研究（例、プロテミオクス研究など）では、対象となる生体分子の質量が２桁以上にわたることが容易にありうる。加えて、多くの生物学的研究では、研究に利用可能な試料（例、希少タンパク質、法医学的試料、考古学的試料など）の量が制限される。
【０００８】
タンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）では、一般的に、イオンがイオンフラグメンター、例えば衝突セルに入る前に、イオンの衝突エネルギーを制御することも望まれる。一般に、これは、ＴＯＦ／ＴＯＦタンデム質量分析計において、最初に、第一のＴＯＦ領域（ＭＳの第一の次元）から初期のエネルギーまでイオンを加速して、次に、衝突セルの入口での電位を調整してイオンを所望の衝突エネルギーとなるまで減速させることによって行われる。通常、衝突セルに従った第二のＴＯＦ領域への良好な集束を提供する、単一の衝突エネルギーに対するイオン光学システムの最適化は容易であるが、イオン伝送効率およびそれによる機器の感度を損なわずに、衝突エネルギーの範囲にわたって第二のＴＯＦ領域に良好な集束を提供する、イオン光学システムを提供することは極めて困難である。
【０００９】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ／ＭＳ機器はまた、有用な操作のための無数の構成要素の正確な調整および相互作用を必要とする、非常に複雑な機械にもなりうる。質量分析では、イオンの集束、加速、減速、操作、および選択のためのイオン光学を必要とする。これらのずれ、およびそれらの電場における不均一性は、質量分析機器の性能を著しく低下させる可能性がある。イオン光学素子は、互いに、また機器の他の構成要素に対して、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に正に配置される。配置されると、イオン光学素子の以降の動作が、機器の性能を著しく低下させる可能性がある。例えば、ある要素を、機器の調整後に移動した場合、その機器の質量精度、感度、および分解能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１０】
従来のイオン光学スタック組立体では、可能な場合に治具を使用して、光学をねじ付き締結具で適所に固定した後に、イオン光学素子を配置していた。例えば、一連の光学要素を、組立治具を使用したり、自動調整機能を使用するなどして積層し、端板をスタックの端部を覆うようにボルトで固定し、前記ボルトを締め付けて光学要素を端版で圧迫してスタックを固定する。加えて、当該の従来の組立方法では、ボルトを特定のパターンおよび特定のトルクで締め付け、例えばワーピングせずに、イオン光学素子を適切に調整する組立者をしばしば必要とする。しかし、当該の手順は、時間がかかり、それを実行するための熟練した組立者が必要になる可能性がある。加えて、（例えば、感度を向上させるため、機器の大きさを減じるため、などで）機器の調整の許容範囲が狭くなると、次第に肉眼ではずれが認識できなくなり、熟練していない組立者によるずれの検出がより困難になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（概要）
本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器、機器の構成要素、およびその操作方法に関する。さまざまな側面において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器は、ＭＳ／ＭＳ機器の役目を果たし、動作することができる。さまざまな実施例において、感度の向上、分解能の向上、動的質量範囲の増加、試料支持部のスループットの向上、および操作の中断時間の低減のうちの１つ以上を促進する、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器、およびＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ機器の１つ以上の構成要素を操作する方法が提供される。
【００１２】
さまざまな側面において、本教示は、試料イオンを提供するためのシステム、試料イオンを提供するための方法、試料支持部処理機構、イオン源、遅延引き出しイオン源からのイオンを集束させるための方法、飛行時間型質量分析計を操作するための方法を提供する。
【００１３】
さまざまな側面において、本教示は、試料イオンを提供するためのシステム、試料イオンを提供するための方法、試料支持部処理機構、イオン源、遅延引き出しイオン源からのイオンを集束させるための方法、飛行時間型質量分析計を操作するための方法、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させるための方法、イオン光学組立部を操作するための方法、イオン光学組立部、および本教示のイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するための方法、のうちの１つ以上を備える質量分析計を提供する。
【００１４】
（試料処理機構）
さまざまな側面において、本教示は、質量分析計のための試料支持部処理機構に関する。さまざまな実施例において、試料支持部は、プレート（例、３．４インチ×５インチ）、マイクロタイターサイズのＭＡＬＤＩプレートなどを備える。本教示の試料支持部処理機構は、試料支持部移動機構部と、試料支持部変更機構部とを備え、試料支持部処理機構は、真空密閉チャンバー内に配置される。
【００１５】
さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、実質的に平坦な前面と、左アームと、右アームとを有する基礎部材を備え、これらのアームは、前記前面に実質的に垂直に、前記前面からＸ方向に延在し、前記前面に実質的に平行に、互いにＹ方向に隔設され、その距離は、それらの間に試料支持部を収めるに十分である。左アームおよび右アームは、それぞれベアリング支持部構造を有する。さまざまな実施例において、左アームおよび右アームのそれぞれは、両アーム間の距離よりも短い距離で、他方のアームに向かってＹ方向に延在する保持突起部を有する。
【００１６】
さまざまな実施例において、試料支持部は、フレーム部材内に保持される。本教示では、詳細な処理（例、取り込み、係合、解放など）および試料支持部のレジストレーションは、フレーム部材に保持される試料支持部に等しく適用可能であり、例えば、試料移動および変更機構のさまざまな構造が、フレーム部材と直接接触し、そこに保持される試料支持部と必ずしも直接接触するわけではない、ということを理解されたい。
【００１７】
さまざまな実施例において、試料支持部は、米国特許第６，８４４，５４５号および第６，８２５，４７８号（これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる）に記載されているようなフレーム上に保持される。さまざまな実施例において、フレーム部材は、周辺陵部を有し、これは、例えば、本教示の試料変更機構の取り込み機構の周辺の少なくとも一部を係合（例、スリップオーバー）して、例えば、変更機構の非装着領域における試料支持部の保持を促進することができる。
【００１８】
試料支持部移動機構は、左アームと右アームとの間に位置する係合部材をさらに備え、第一の位置では、係合部材は、基礎部材の前面によって試料支持部の前面をレジストレーションに付勢し、試料支持部の前面をＺ方向（Ｚ方向は、実質的にＸおよびＹ方向の両方に対して垂直である）におけるレジストレーションに付勢するように構成され、左右のベアリング支持部構造は、第一の位置において、試料支持部の後端をＺ方向におけるレジストレーションに付勢する。
【００１９】
さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、左カム構造、右カム構造、および左右のカム構造の間に配置される中央カム構造の、３つのカム構造を備える。左および中央カム構造間が試料支持部装着領域であり、中央および右カム構造間が試料支持部非装着領域である。
【００２０】
試料支持部装着領域は、係合部材を第二の位置に付勢することができる第一の解放部材と、試料支持部を前面および左アームに対して付勢することができるレジストレーション部材とを備える。左カム構造は、（ａ）左アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、左アームベアリング支持部構造を第二の位置に付勢すること、および（ｂ）レジストレーション部材を係合して、レジストレーション部材が前面および左アームに対して試料支持部を付勢させること、ができる。中央カム構造は、右アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、右アームベアリング支持部構造を第二の位置に付勢することができるので、係合部材、左アームベアリング支持部構造、および右アームベアリング支持部構造が、それぞれの第二の位置にあるときに、試料支持部移動機構は、試料支持部移動機構の右および左アーム間に試料支持部を係合することができる。
【００２１】
試料支持部非装着領域は、係合部材を第三の位置に付勢することができる第二の解放部材と、試料支持部移動機構から解放された後に、試料支持部非装着領域内に試料支持部を保持するように構成した試料支持部取り込み機構とを備える。中央カム構造は、左アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、左アームベアリング支持部構造を第三の位置に付勢することができ、右カム構造は、右アームベアリング支持部構造を摺動可能に係合して、右アームベアリング支持部構造を第三の位置に付勢することができるので、係合部材、左アームベアリング支持部構造、および右アームベアリング支持部構造が、それぞれの第三の位置にあるときに、試料支持部移動機構は、試料支持部移動機構の右および左アーム間に試料支持部を係合することができる。
【００２２】
さまざまな実施例において、試料移動処理機構の係合部材は、基礎部材に取り付けられたラッチを備える。さまざまな実施例では、ラッチは、第二の解放部材と接触し、試料支持部を試料支持部移動機構からゆっくりと解放することができる、ローラーを備える。
【００２３】
さまざまな実施例では、試料支持部移動機構は、電気的導電面を有するフレームを備える。さまざまな実施例では、当該のフレームは、試料支持部の周縁部における、および／またはその近くでの電場線の不連続部の削減を促進する。
【００２４】
さまざまな実施例では、試料支持部移動機構は、低真空領域（例、真空密閉チャンバー）から高真空領域（例、試料チャンバー）に試料支持部を移動させる。さまざまな実施例では、試料チャンバーは、圧力が約１０−６トル以下になるように構成される。さまざまな実施例では、試料チャンバーは、圧力が約１０−７トル以下になるように構成される。その点を考慮して、さまざまな実施例において、試料支持部移動機構は、真空適合材料で作成される。
【００２５】
さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、以降のＭＡＬＤＩによるイオン発生に対する試料支持部の安定した位置決めの提供を促進する。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００５インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．０１インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．０１インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００２インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．００５インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．００５インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。
【００２６】
さまざまな側面において、本教示は、真空密閉チャンバーと、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバーとを備える、試料イオンを提供するためのシステムを提供し、真空密閉チャンバーには、試料支持部変更機構が配置され、試料チャンバーには試料支持部移動機構が配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内に配置されるように、試料支持部兼官機構の装着領域から試料支持部を引き出すように構成される。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００５インチ以内に、Ｘ方向において約±０．０１インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．０１インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。さまざまな実施例において、試料支持部は、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置される。試料支持部移動機構はまた、試料支持部の表面の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、一方で、前記試料支持部が、試料支持部移動機構内に保持され、前記試料イオンが、試料支持部の表面に実質的に垂直な方向において質量分析システム内に引き出される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ上に取り付けられる。さまざまな実施例において、Ｚ方向は試料支持部の表面に実質的に垂直である。
【００２７】
さまざまな実施例において、試料イオンは、レーザー照射と実質的に同軸である第一のイオン光軸に沿って、試料支持部の表面に実質的に垂直な方向に引き出される。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンを提供するためのシステムは、試料イオンを発生する試料に衝突するレーザーエネルギーのパルスのポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルと実質的に同軸である方向に沿って、試料イオンが、試料チャンバーから引き出されるように構成される。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、試料表面の法線から約５度以下である角度を形成する。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、試料表面の法線から約１度以下である角度を形成する。
【００２８】
さまざまな実施例において、フレーム部材は、少なくともイオン引き出し方向に面する表面上において、電気的導電面を有する。さまざまな実施例において、当該のフレームは、試料支持部の周縁部における、および／またはその近くでの電場線の不連続部の削減を促進する。
【００２９】
さまざまな側面において、本教示は、質量分析のための試料イオンを提供するための方法を提供し、試料支持部の表面上に複数の試料を支持するステップと、試料支持部を装着するための領域と、試料支持部を脱着するための領域とを有する真空密閉チャンバーを提供するステップと、その中に配置される試料移動機構を有する試料チャンバーを提供するステップとを含む。本方法では、試料支持部が、試料支持部移動機構内に配置されるように、試料移動機構によって装着するための領域内に配置された試料支持部を引き出す。さまざまな実施例において、試料支持部は、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置される。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００５インチ以内に、Ｘ方向において約±０．０１インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．０１インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行し、Ｚ方向は試料支持部の表面に実質的に垂直である。さまざまな実施例では、試料支持部は、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直行する。試料支持部は、試料チャンバー内の第一の位置の位置に平行移動され、ここでは、試料支持部上の第一の試料にエネルギーパルスが照射され、第一群の試料イオンを形成し、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、第一群の試料イオンの少なくとも一部が、Ｚ方向に引き出される。次いで、試料支持部は、試料チャンバー内の第二の位置の位置に平行移動され、ここでは、試料支持部上の第二の試料にエネルギーパルスが照射され、第二群の試料イオンを形成し、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、第二群の試料イオンの少なくとも一部が、Ｚ方向に引き出される。試料支持部を脱着するための領域内の試料支持部移動機構によって試料支持部を配置する前に、更なる試料を試料支持部上で分析することができる。本方法では、試料支持部を引き出すステップに続けて、少なくとも２つの試料に対する平行移動、照射、および引き出しのステップを繰り返し行う。
【００３０】
さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の５度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の１度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。
【００３１】
さまざまな実施例では、試料イオンの少なくとも一部を引き出すステップのうちの少なくとも１つは、第一のイオン光軸に沿って、Ｚ方向に試料イオンを引き出すステップを含み、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００３２】
（イオン源）
さまざまな側面において、本教示は、ＴＯＦ機器のためのイオン源およびその操作方法に関する。さまざまな実施例において、本教示は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源および質量分析計とともに使用するための、ＭＡＬＤＩイオン源の操作方法に関する。さまざまな側面において、多重モードの操作に対して構成されたＴＯＦ質量分析計の感度および分解能のうちの１つ以上の向上を促進する、イオン源およびその操作方法が提供される。
【００３３】
汎用ＭＡＬＤＩ ＴＯＦ質量分析装置では、異なる操作方法（すなわち、ＭＳ／ＭＳのための線形、反射器（イオンミラー）、および前駆（親イオン）の選択）に対して、最適な分解能が得られるように、イオン源の速度空間集束面の位置を変更することが望ましい。遅延引き出しを用いた２ステージワイリーマクラレン（Ｗｉｌｅｙ ＭｃＬａｒｅｎ）型供給源は、あらゆる操作モードに対して理想的な集束を提供するように構成することができる。しかし、他の部分の性能を落とさずに、１つ以上の操作モードにおいて最適化された性能を提供する単一のジオメトリをデザインすることはより困難である。特に、ＭＳ／ＭＳのためのタイムドイオンセレクションに求められるような、表面付近の焦点面に対する供給源を最適化するために、（ｘ，ｙにおける）ビームの空間的集束は、イオンビームの多数の部分が限界口径を通して送られなくなる点まで低下され、したがって、機器の感度の実質的な損失が観測される。本教示は、さまざまな実施例において、従来の２ステージイオン源と比較して、調整可能な速度空間集束面を可能とし、ｘ，ｙ空間的焦点特性が改善された、斬新な３ステージイオン源を提供する。さまざまな実施例において、イオン源は、半径方向の空間的集束を実質的に低下させずに、初期のイオン速度によるイオン到着時間の広がりの補償を促進する。
【００３４】
当業者は、用語「速度空間焦点」および「ｘ，ｙ空間的焦点」を使用して本願明細書に記載された概念が、異なる用語を使用して記述される可能性があることを認識されよう。遅延引き出し使用して、異なる初期速度だが同じｍ／ｚ値で、実質的に同時に特定の面にイオンを導くことができるが、このプロセスは、従来技術では、「時間集束」および「空間的集束」、「速度集束」および「タイムラグ集束」を含む、さまざまな用語で称されている。加えて、例えば、用語「空間集束」、「空間集束面」、「空間焦点面」、「時間集束」、「速度集束」、および「時間集束面」は、従来技術において全て使用されており、本願明細書において速度空間集束面と称されるもののうちの１つ以上を指す。不都合にも、用語「時間集束」、「時間的集束」、「空間集束」、「空間集束面」、「空間焦点面」、「時間集束」、および「時間集束面」もまた、従来技術の飛行時間型質量分析装置で使用され、遅延引き出しを使用したイオン源の速度空間集束とは根本的に異なるプロセスを描写している。ｘ，ｙ空間的集束は、その主たる伝搬方向（ｚ）に垂直な方向において、イオンビームの直径を狭めることができるので、このプロセスはまた、従来技術において、用語「半径方向の集束」とも称される。しかし、用語「空間的集束」および「半径方向の集束」はまた、従来技術の飛行時間型質量分析装置においても使用され、本教示のｘ，ｙ空間的集束とは根本的に異なるプロセスを描写している。したがって、質量分析技術に見出される用語の複雑な語法を鑑みて、本願明細書で使用される用語「速度空間集束」および「ｘ，ｙ空間的集束」は、単に説明における簡潔さ、および一貫性に対して選択したものであり、本教示の内容をいかなる形であれ記述された内容に制限するものと解釈すべきではない。
【００３５】
さまざまな側面において、本教示の３ステージイオン源は、試料表面を有する試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部に対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備える。試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、および（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【００３６】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００３７】
さまざまな実施例において、第一の方向は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料イオンを発生する試料に衝突するレーザーエネルギーのパルスのポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルと実質的に同軸である方向に沿って引き出される。さまざまな実施例において、第一の方向は、試料表面の法線から約５度以下である角度を形成する。さまざまな実施例において、第一の方向は、試料表面の法線から約１度以下である角度を形成する。
【００３８】
試料支持部と、試料表面から間隔を隔てて試料イオンを加速する第一の電極との間の電位差の付加は、レーザーエネルギーのパルスを発生させた後の所定時間だけ遅らせて、例えば遅延引き出しを行うことができる。いくつかの実施例では、例えば、米国特許第５，６２５，１８４号（１９９５年５月１９日出願、１９９７年４月２９日発行）、米国特許第５，６２７，３６９号（１９９５年６月７日出願、１９９７年５月６日発行）、米国特許第６，００２，１２７号（１９９８年４月１０日出願、１９９９年１２月１４日発行）、米国特許第６，５４１，７６５号（１９９８年５月２９日出願、２００３年４月１日発行）、米国特許第６，０５７，５４３号（１９９９年７月１３日出願、２０００年５月２日発行）、米国特許第６，２８１，４９３号（２０００年３月１６日出願、２００１年８月２８日発行）、および米国特許第１０／３０８，８８９号（２００２年１２月３日出願）などの米国特許に記載されているように、遅延引き出しを行ってタイムラグ集束を提供し、初期の試料イオン速度の分布を補正する。これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。他の実施例では、例えば、Ｗ．Ｃ．ＷｉｌｅｙおよびＩ．Ｈ．ＭｃＬａｒｅｎの「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１２、１１５０〜１１５７ページ、１９５５年１２月）に記載されているように、引き出しを行って、初期の試料イオンの空間分布を補正することができ、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【００３９】
操作のさまざまな実施例において、ある照射角度でレーザーエネルギーのパルスを試料に照射して、ＭＡＬＤＩによって試料イオンを生成する。以前の試料イオンの引き出し後、および試料へのレーザーエネルギーのパルスの照射中に、電源は第一の電位を試料支持部に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、エネルギーパルスの発生に対する第一の所定時間で第一の電場を構築し、第一の電場は、試料支持部から離れる方向に試料イオンを加速しない。いくつかの実施例では、第一の電位は、正の試料イオンを測定したときに、第二の電位よりも負であり、第一の電位は、負の試料イオンを測定したときに、第二の電位よりも負であり、それによって、試料イオンの引き出し前に遅延電場を生成する。さまざまな実施例において、第一の電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００４０】
さまざまな実施例において、レーザーエネルギーのパルスの発生後の第二所定時間で、電源は、試料支持部および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、試料支持部から間隔を隔てて試料イオンを加速して試料イオンを引き出し、第三の電位を第二の電極に付加してｘ，ｙ空間的集束を提供する、第二の電場を構築する。
【００４１】
多種多様な構造を使用して、電位を発生させるタイミングを制御することができる。例えば、光検出器を使用して、レーザーエネルギーのパルスを検出して、エネルギーパルスに同期させた電気信号を発生させることができる。同期させた信号に対応する入力を有する遅延発生器を使用して、電源がさまざまな電位を起動してアプリケーションを制御するための、同期させた信号に対して所定時間だけ遅延させた、出力電気信号を提供することができる。
【００４２】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すように構成され、試料表面に実質的に法線の角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射するように構成された光学システムを含む。さまざまな実施例において、第一の電極および第二の電極は、それぞれ開口を有する。いくつかの実施例において、第一および第二の電極は、第一のイオン光軸（第一の電極の開口の中心と第二の電極の開口の中心との間の線によって確定される）が、試料表面に実質的に法線の角度で、試料表面と交差するように配置される。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスをイオン光軸と実質的に同軸に調整するように構成される。
【００４３】
さまざまな側面において、イオンビーム経路内の電極への材料の付着の低減を促進する、３ステージイオン源が提供される。イオンビーム経路内の電極への材料の付着を低減することによって、例えば、質量分析計の感度、分解能、またはその両方の向上を促進し、質量分析計の操作の中断時間の減少を促進することができる。
【００４４】
一側面において、イオン源の要素のうちの１つ以上が加熱システムに接続され、温度制御された表面が、３ステージイオン源の少なくとも一部の実質的に周囲に配置された、３ステージイオン源を提供することができる。好適な加熱システムは、これに限定されないが、電気抵抗加熱器および放射加熱器を含む。いくつかの実施例において、加熱システムは、イオン源内の要素のうちの１つ以上の温度を、マトリックス材を脱着させるに十分な温度に上昇させることができる。さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源内の要素のうちの１つ以上を、約７０℃を超える温度に加熱することができる加熱器を含む。
【００４５】
温度制御された表面の温度は、例えば加熱および冷却ユニットによって動的に制御するか、または、例えば温度制御された表面の熱的な質量、温度制御された表面が放熱板と熱的に接触するような配置、またはそれらの組み合わせによって静的に制御することができる。
【００４６】
他のさまざまな側面において、質量分析のための試料イオンを提供する３ステージイオン源および方法が提供される。さまざまな実施例において、本イオン源および方法は、これに限定されないが、多次元質量分析装置を含む、飛行時間型質量分析装置によって、質量分析のための試料イオンの提供に好適である。好適な飛行時間型質量分析システムおよび方法は、例えば、米国特許第６，３４８，６８８号（１９９９年１月１９日出願、２００２年２月１９日発行）、米国特許出願第１０／０２３，２０３号（２００１年１２月１７日出願）、米国特許出願第１０／１９８，３７１号（２００２年７月１８日出願）、および米国特許出願第１０／３２７，９７１号（２００２年１２月２０日出願）に記載されており、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【００４７】
さまざまな側面において、本教示は、イオン源からイオンを集束させる方法を提供する。さまざまな実施例において、イオン源は、遅延引き出しイオン源を備える。さまざまな実施例において、本方法では、試料支持部、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを有する、イオン源からのイオンを集束させる。イオン化のための試料は、試料支持部の試料表面上に配置され、イオンのエネルギーは、試料表面と第三の電極との間の電位差によって構築される。さまざまな実施例において、イオンは、試料表面と第一の電極との間の電位差の付加によって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択することによって集束され、この電位差は、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加すること、および第三の電位を第二の電極に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向における集束イオンによって構築される。
【００４８】
さまざまな側面において、本教示は、２つ以上の操作モードと、イオン源とを有する飛行時間（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）型質量分析計の操作方法を提供する。操作モードの例には、これに限定されないが、線形ＴＯＦ、リフレクトロンＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦが挙げられる。さまざまな実施例において、イオン源は、試料支持部、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを有する。
【００４９】
さまざまな実施例において、２つ以上の操作モードを有するＴＯＦ質量分析計の操作方法は、（ａ）試料表面と第三の電極との間の電位差を選択することによってイオンエネルギーを構築するステップと、（ｂ）第一の操作モードに対して、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加することによって、Ｚ方向における時間集束面の位置を選択ステップと、（ｃ）第一の操作モードに対して、第三の電位を第二の電極に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるステップとを含む。さまざまな実施例において、本方法は、（ｄ）飛行時間型質量分析計の操作モードを第二の操作モードに変更するステップと、（ｅ）第二の操作モードに対して、第一の電極に付加される電位を変化させることによって、Ｚ方向における時間集束面のを選択するステップと、（ｆ）第二の操作モードに対して、第二の電極に付加される電位を変化させることによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるステップとをさらに含む。さまざまな実施例において、時間集束面とは、遅延引き出しイオン源の時間集束面である。
【００５０】
２つ以上の操作モード、またはそれらの組み合わせを有する飛行時間型質量分析計を操作する、イオン源からのイオンを集束させるさまざまな実施例において、試料イオンは、試料にレーザーエネルギーのパルスを照射することによって生成され、その照射角度は、試料表面の実質的に法線である。いくつかの実施例では、そのように生成された試料イオンは、試料表面の実質的に法線である引き出し方向に引き出され、レーザーエネルギーのパルスは、引き出し方向と実質的に一致する。さまざまな実施例において、試料イオンは、試料にレーザーエネルギーのパルスを照射することによって生成され、試料表面と交差するエネルギーパルスのポインティングベクトルは、イオン引き出し方向と実質的に同軸である。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料表面に実質的に法線方向に第一のイオン光軸に沿って引き出され、エネルギーパルスは、第一のイオン光軸と実質的に一致する。
【００５１】
例えば、さまざまな実施例において、本方法は、試料支持部表面の法線の１度以下で試料表面上の試料にエネルギーパルスを照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、試料支持部表面と第一の電極との間の電位差を所定の時間付加することによって、試料支持部表面に実質的に法線方向に、第一のイオン光軸に沿って試料イオンを引き出すステップとを含む。さまざまな実施例において、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００５２】
（イオン光学）
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させる方法、およびイオンフラグメンターを備えたイオン光学組立部の操作方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたって入射イオンビームの焦点の位置を実質的に保持し、それによって広範囲のエネルギーにわたって衝突セルに平行イオンビームを供給する方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたるイオンの伝送損を減少させる方法を提供する。
【００５３】
さまざまな側面において、本方法のイオン光学組立部は、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える。さまざまな実施例において、減速レンズおよび第一のイオンレンズは、複数の要素を備え、要素を共有することができる。例えば、さまざまな実施例において、減速レンズは、第一の電極と、第二の電極と、第三の電極とを備え、第一のイオンレンズは、第三の電極と、第四の電極と、第五の電極とを備える。さまざまな実施例において、試料イオンは、第三の電極と第四の電極との間の焦点に集束され、焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、実質的に平行なイオンビームを形成する。
【００５４】
さまざまな側面において、本教示は、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える、イオン光学組立部を操作するための方法を提供し、減速レンズへの位置口から距離Ｆ離れ、衝突セル内の中性ガスに対する試料イオンの第一の衝突エネルギーで、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成する第一のイオンレンズ内の焦点で、試料イオンを集束させるステップと、遅延イオンレンズへの電位を実質的に保持し、第一のイオンレンズ上の電位を変化させることによって、第一の衝突エネルギーとは異なる衝突エネルギーに対して、実質的に距離Ｆにおける焦点を保持するステップとを含む。
【００５５】
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させるための方法を提供し、イオン光学組立部を使用した前記方法は、減速レンズとイオンフラグメンターへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える。さまざまな実施例において、本方法は、減速レンズに減速電位を付加し、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電位差を付加し、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電位差を付加する。さまざまな実施例において、試料イオンは、第一のイオンレンズ内の焦点に実質的に集束され、例えば、焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、実質的に平行なイオンビームを形成する。さまざまな実施例において、この焦点の位置は、減速レンズと第一のイオンレンズとの間の加速電位差を変化させて、減速レンズに付加された加速電位を実質的に保持することによって、異なる衝突エネルギーに対して保持される。
【００５６】
さまざまな実施例において、減速レンズと衝突セルへの入口との間に配置された第一のイオンレンズを備える、イオン光学組立部を操作するための本教示の方法は、（ａ）第一の衝突エネルギーで、第一のイオンレンズ内の焦点に試料イオンを実質的に集束させ、第一のイオンレンズ内の焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成するステップを含み、このステップは、（ｉ）第一の電位を減速レンズの電極に付加することによって、減速レンズに入る試料イオンに対する減速電場を構築するステップと、（ｉｉ）第二の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電場を構築して、減速レンズから第一のイオンレンズ内へ試料イオンを加速するステップと、（ｉｉｉ）第三の電位を衝突セルへの入口に付加することによって、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電場を構築して、第一のイオンレンズからの試料イオンを減速するステップとによってなされる。本方法は、（ｂ）第一の衝突エネルギーとは異なる第二の衝突エネルギーに、第一の衝突エネルギーを変化させるステップによって進行する。本方法のための試料イオンは、次いで、（ｃ）第二の衝突エネルギーで、第一のイオンレンズ内の焦点に試料イオンを実質的に集束させ、第一のイオンレンズ内の焦点の後ろ、かつ衝突セルへの入口の前に、試料イオンの実質的に平行なイオンビームを形成するステップを含み、このステップは、（ｉ）第四の電位を減速レンズの電極に付加することによって、減速電場を構築して、減速レンズに入る試料イオンを減速し、前記第四の電位は、実質的に第一の電位に等しいステップと、（ｉｉ）第五の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズと第一のイオンレンズとの間に加速電場を構築して、減速レンズから第一のイオンレンズ内へ試料イオンを加速するステップと、（ｉｉｉ）第六の電位を衝突セルへの入口に付加することによって、第一のイオンレンズと衝突セルへの入口との間に減速電場を構築して、第一のイオンレンズからの試料イオンを減速するステップとによってなされる。
【００５７】
さまざまな実施例において、試料イオンは、減速レンズへの入口から距離Ｆ離れた焦点に実質的に集束される。さまざまな実施例において、第一の衝突エネルギーと第二の衝突エネルギーとの間の差が、約５０００電子ボルト未満である場合、距離Ｆは、（ａ）約±４％未満、（ｂ）約±２％未満、および／または（ｃ）約±１％未満で変動する。さまざまな実施例において、第四の電位は、第一の電位の約±５％以下の範囲内である。例えば、さまざまな実施例において、第四の電位は、第一の電位の約±２．５％以下の範囲内である。
【００５８】
（イオン光学組立部）
さまざまな側面において、本教示は、イオン光学素子の調整を容易にする機能を有するイオン光学組立部を提供する。さまざまな実施例において、前面部材と取り付け本体の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子を備える、イオン光学組立体が提供される。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【００５９】
さまざまな実施例において、本教示に記載されているように、固定部材によるイオン光学素子の圧縮によるそれらの調整は、イオン光学素子の調整および組立てを簡素化することができる。本教示において、イオン光学素子の圧縮および調整には、トルクパターンが不要である。さまざまな実施例において、固定部材は、イオン光学部材を適所に固定することができるので、輸送のためにイオン光学組立部を固定する更なる部品を必要としない。
【００６０】
さまざまな側面において、本教示は、それらの調整を促進するイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムを提供する。さまざまな実施例において、基礎の取り付け表面から突出する複数対の突出部を有する取り付け基部と、突出部の各対に関連付けられた１つ以上の取り付け構造とを備える。少なくとも１つの電気的接続要素は、突出部の各対に関連付けられ、接続要素は、背面から取り付け表面まで取り付け基礎を貫通する。本システムは、２つ以上のイオンの光学的要素支持部をさらに備え、各イオンの光学的要素支持部は、複数対の凹部のうちの１つ以上を受けるように構成された１対の凹部を有する。凹部は、イオンの光学的要素支持部の一対の凹部が、（１対の突出部に関連付けられた１つ以上の取り付け構造を使用して、イオンの光学的要素を取り付け基礎に取り付けることによって）対応する１対の突出部によってレジストレーションに導かれるときに、支持部内のイオンの光学的要素は、そのように取り付けられた別のイオンの光学的要素によって実質的に調整され、前記イオンの光学的要素上の電気的接続は、対応する電気的接続要素に隣接する。
【００６１】
さまざまな実施例において、複数対の突出部は、イオンの光学的要素支持部の１つの配向だけが、イオンの光学的要素支持部内の対応する凹部を、対応する対の突出部によってレジストレーションに導くことができるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、一意の凹部および突出部パターンを使用して、イオンの光学的要素支持部を配向することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、異なるイオンの光学的要素に対して、異なる形状を有するように構成される。さまざまな実施例において、イオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムは、例えば、要素を置き換えず、またはそれらを誤って配向する恐れなしに、光学的要素の迅速な変更を容易にする。
【００６２】
（質量分析計システム）
さまざまな側面において、本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを提供する。さまざまな実施例において、質量分析計システムは、（ａ）エネルギーパルスが、試料表面に実質的に法線の角度で試料表面の試料に衝突するように、試料表面上の試料にエネルギーパルスを照射するように構成された光学システムと、（ｂ）本教示のＭＡＬＤＩイオン源と、（ｃ）第一のイオン光軸からのイオンを偏向させるように構成されたイオン偏向板であって、それに沿ってイオンが質量分析計システムおよび第二のイオン光軸に引き出されるイオン偏向板と、（ｄ）イオン偏向板とタイムドイオンセレクタとの間に配置された第一の実質的にフィールドフリー領域であって、タイムドイオンセレクタは、第一の実質的にフィールドフリー領域と衝突セルとの間に配置されたフィールドフリー領域と、（ｅ）衝突セルと第一のイオン検出器との間に配置された第二の飛行時間と、（ｆ）第二の飛行時間と第一のイオン検出器との間に配置されたイオンミラーと、（ｇ）イオンミラーと第二のイオン検出器との間に配置される第二の飛行時間とを備える。タイムドイオンセレクタは、第二のイオン光軸に沿って移動するイオンを受けるように配置され、衝突セルへ伝送するイオンを選択するように構成される。
【００６３】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩイオン源は、試料表面を有する試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部に対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備える。試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、および（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【００６４】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【００６５】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、真空密閉チャンバーと、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバーとをさらに備える。試料支持部変更機構は真空密閉チャンバー内に配置され、試料支持部移動機構は試料チャンバー内に配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内のフレーム内に配置されるように、試料支持部変更機構の装着領域から試料支持部を引き出すように構成される。試料支持部移動機構は、エネルギーパルスによる試料支持部の表面上の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、前記試料支持部は、試料支持部移動機構内に保持される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ上に装着され、試料支持部は、試料チャンバー内にあり、前記試料イオンは、第一のイオン光軸に沿って引き出すことができる。
【００６６】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、その中に配置された１つ以上の温度制御された表面をさらに備える。
【００６７】
さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタおよび衝突セルは、イオン光学組立部の部分を備え、イオン光学組立体は、前面部材と取り付け本体の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子を備える。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。取り付け本体は、衝突セルを収容し、タイムドイオンセレクタは、イオン光学素子のうちの少なくとも１つを備える。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【００６８】
さまざまな側面において、本教示は、２つ以上の操作モードおよび、試料表面を有する試料支持部と、試料支持部から間隔を隔てた第一の電極と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極とを備えたイオン源を有するＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを操作するための方法を提供する。さまざまな実施例において、第一の操作モードのための方法は、（ａ）第一の操作モードに対して、試料表面と第一の電極との間に電位差を付加することによって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択するステップであって、この電位差は、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加し、また、第三の電位を第二の電極に付加することによってＺ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させることによって構築されるステップと、（ｂ）試料表面上の試料に、エネルギーパルスを試料表面の実質的に法線の照射角度で照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、（ｃ）エネルギーパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン光軸に沿って、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すステップと、（ｄ）第一の操作モードを使用した質量分析のために、第一のイオン光軸から第二のイオン光軸に試料イオンを偏向させるステップとを含む。質量分析計システムの操作モードは、次いで、第二の操作モードに変更され、その方法は、（ａ）第二の操作モードに対して、試料表面と第一の電極との間に電位差を付加することによって、Ｚ方向におけるイオン源の時間集束面の位置を選択するステップであって、この電位差は、第一の電位と実質的に等しい第四の電位を試料表面に付加し、第五の電位を第一の電極に付加し、また、第六の電位を第二の電極に付加することによってＺ方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させることによって構築されるステップと、（ｂ）試料表面上の試料に、エネルギーパルスを試料表面に対して実質的に法線である照射角度で照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップと、（ｃ）エネルギーパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン光軸に沿って、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すステップと、（ｄ）第二の操作モードを使用した質量分析のために、第一のイオン光軸から第二のイオン光軸に試料イオンを変更させるステップとを含む。
【００６９】
操作モードのうちの１つが衝突誘起解離を含むさまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを操作するための方法は、衝突セルにイオンを集束させるための方法のうちの、本教示のさまざまな実施例を含むことができ、また、イオン光学組立部を操作するための方法のうちの、本教示のさまざまな実施例を含むことができる。
【００７０】
本発明の上述および他の側面、実施例、目的、機能、および利点は、以下の添付図面に関連した記述によってさらに理解することができる。図中、同じ参照符号のものは、種々の図面を通じて概ね同じ機能および構造の要素を示すものである。これらの図面は原寸に比例して示されておらず、代わりに本発明の原理を示す部分が強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
さまざまな側面において、本教示は、斬新なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムを提供する。さまざまな実施例において、例えば、試料支持部処理機構、イオン源、イオン光学、およびイオン光学組立部のような、１つ以上の斬新な構成要素を備えた斬新なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムが提供される。さまざまな実施例において、試料分析システムとともに使用して、例えば、試料イオンを提供したり、試料イオンを集束させたり、異なる操作モードで質量分析システムを操作したり、イオンフラグメンターを操作したりするための斬新な方法が提供される。
【００７２】
図１Ａ乃至１Ｄは、本教示のさまざまな実施例による、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム１００の図を原寸に比例した図である。図１Ａは正面断面図を示し、図１Ｂは側断面図を示し、図１Ｃおよび１Ｄはそれぞれ図１Ａおよび図１Ｂの一部を拡大して示した図である。図１Ａ乃至１Ｄを見やすくするために、システム１００は、床が方向１０１で、天井が方向１０２となるように配向することができ、機器の「正面」は、視点１０３からのものとすることができる。
【００７３】
図１Ａ乃至１Ｄによって示されるさまざまな実施例は、制限することを意図したものではない。例えば、本教示によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図１Ａ乃至１Ｄに示されるシステムよりも少ない構成要素を備えるか、またはシステムよりも多い構成要素を備えることができる。加えて、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図１Ａ乃至１Ｄに示される部品の配置に必ずしも制限されるものではない。むしろ、示された配置は、本教示を実施する多数のモードの一部である。例えば、図１Ａ乃至１Ｄに示されるシステムのさまざまな実施例は、例えば線形ＭＳ操作、イオンミラーＭＳ操作、ＭＳ／ＭＳ操作などのような、さまざまなモードで操作することができる。
【００７４】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム１００は、試料支持部を装着および脱着することができる、真空密閉チャンバー１０６を備えた試料支持部処理機構１０５と、試料支持部を真空密閉チャンバー１０６からイオン領域１１１に移送するように構成された試料支持部移動機構１０８とを備える。試料支持部移動機構は、イオン源内の１つ以上の次元に試料支持部を平行移動させるための移動機構を備えて、例えば、試料支持部上の２つ以上の試料の連続的な分析を促進することができる。さまざまな実施例において、平行移動機構は、多軸（例、２次元ならばｘ−ｙ；３次元ならばｘ−ｙ−ｚ）平行移動ステージ１１２を備える。質量分析システムは、観察システム１１３を備えて、一連の視界１１４に沿って、例えば、試料支持部がイオン源領域におけるイオン形成のために配置された場合は、試料支持部の表面上の試料を観察することができる。
【００７５】
図１Ａ乃至１Ｄに示されるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例は、例えば線形ＭＳ操作、イオンミラーＭＳ操作、ＭＳ／ＭＳ操作などのような、さまざまなモードで操作することができ、電場１２０、１２２、１２４が実質的にない１つ以上の領域を含むことができる。例えば、さまざまな実施例において、ＴＯＦシステムは、線形ＴＯＦ質量分析装置として動作させることができる。線形ＴＯＦの操作モードにおいて、イオン源領域１１１で生成されたイオンは、１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって、実質的に電場のない第一の領域（第一のフィールドフリー領域）１２０に引き出され、第一の検出器１２５に移動する。
【００７６】
さまざまな実施例において、ＴＯＦシステムは、リフレクトロンＴＯＦ質量分析装置として動作させることができる。イオンミラーＴＯＦ操作モードにおいて、イオンは、１つ以上の実質的に電気的フィールドフリー領域１２０および１２２を通ってドリフトした後に、イオンミラーに入り、例えば、イオンの運動エネルギーの差異を補正する。イオンミラー１３０から出射するイオンは、次いで別のフィールドフリー領域１２４を通って検出器１３５にドリフトすることができる。
【００７７】
さまざまな側面において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、ＭＳ／ＭＳ機器として機能し、動作させることができる。例えば、さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、イオンフラグメンター１４０を備える。イオン源領域１１１内で生成されたイオンは、１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって、実質的に電場のない第一の領域（第一のフィールドフリー領域）１２０に引き出され、タイムドイオンセレクタ１４２を使用して、イオンフラグメンター１４４の、例えば衝突セルへ伝送するイオンを選択すること、および実質的に電場のない第二の領域（第二のフィールドフリー領域）１２２に引き出されたフラグメントイオンを、例えば線形−線形ＴＯＦを実行するときは第一の検出器１２５に移動させ、例えば線形−反射器ＴＯＦを実行するときは第二の検出器１３５に移動させることができる。
【００７８】
さまざまな側面および実施例において、本教示は、エネルギーパルスを用いて試料イオンを形成する。エネルギーパルスは、干渉性、非干渉性、またはその組み合わせとすることができる。さまざまな実施例において、エネルギーパルスは、レーザーエネルギーのパルスである。レーザーエネルギーのパルスは、例えば、パルスレーザーまたは連続波（ｃｗ）レーザーによるレーザーシステム１５０によって提供することができる。ｃｗレーザーの出力は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）、交差偏光子、回転チョッパー、およびシャッターを使用して、パルスを生成するように変調することができる。ＭＡＬＤＩによって対象となる試料イオンを生成するための好適な照射波長のあらゆるタイプのレーザーには、これに限定されないが、ガスレーザー（例、アルゴンイオン、ヘリウム−ネオン）、色素レーザー、化学レーザー、固体レーザー（例、ルビー、ネオジムベース）、エキシマレーザー、ダイオードレーザー、およびそれらの組み合わせ（例、ポンプレーザーシステム）が挙げられ、本教示とともに使用することができる。
【００７９】
（試料処理機構）
質量分析装置システムは、構成要素の正確かつ反復可能な調整を必要とする複雑な機器となる可能性がある。正確かつ反復可能な調整を一般に必要とする１つの領域には、イオン源がある。ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムにおいて、イオンを引き出す方向（本願明細書ではＺ方向と称する）における試料の配置のばらつきによって、飛行長さ（飛行時間）のばらつきがもたらされ、質量分解能が減少する可能性がある。加えて、ＸおよびＹ位置と同様に、Ｚ位置のばらつきは、機器のイオン光学が調整されない位置での試料イオンの形成をもたらす可能性があり、イオン信号および質量分解能が減少する可能性がある。これらのばらつきは、一般的に、質量分析計システムのイオン源から、ＭＡＬＤＩプレートなどのような試料支持部上に担持される試料の装着および脱着の繰り返しを必要とする、多数の試料の分析が求められる調査では、さらに大きな懸念となりうる。
【００８０】
さまざまな側面において、本教示は、試料支持部処理機構を提供する。さまざまな実施例において、試料時支部処理機構は、試料支持部変更機構と、試料支持部移動機構とを備え、ユーザーが、変更機構内に試料支持部を配置することができるように構成することができ、イオン源領域への移動のために試料支持部移動機構によって取り込まれたときに、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に配置して、イオン源におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向のサンプルの正確かつ反復可能な調整を促進する。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料支持部移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００２インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．００５インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．００５インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部処理機構は、試料支持部が試料移動機構において、（ａ）Ｚ方向において約±０．００５インチ以内、（ｂ）Ｘ方向において約±０．０１インチ以内、（ｃ）Ｙ方向において約±０．０１インチ以内、または（ｄ）それらの組み合わせとなるような位置に配置されるように構成される。さまざまな実施例において、試料支持部は、複数の試料を保持することができる。
【００８１】
さまざまな実施例において、試料支持部は、プレート（例、３．４インチ×５インチ）、マイクロタイターサイズのＭＡＬＤＩプレートなどを備える。好適な試料支持部には、これに限定されないが、６４スポット、９６スポット、および３８４スポットのプレートが挙げられる。電気的絶縁層は、試料と試料支持部の試料表面との間に挿入することができる。試料は、レーザーエネルギーのパルスの波長で吸収し、試料内の対象となる分子の脱離およびイオン化を促進する、マトリックス材を含むことができる。
【００８２】
試料支持部の位置のずれに加えて、イオン化されている試料付近の電場線の歪みも、イオン信号および分解能の減少をもたらす可能性がある。例えば、ＭＡＬＤＩを受ける試料付近の電場線の不連続部は、イオンを引き出す電場線を乱す可能性があり、イオンプルームの経路を生じさせ、引き出し電極への所望の飛行から外れる。
【００８３】
さまざまな実施例において、本教示の試料支持部処理機構は、導電面を有し、試料支持部を実質的に囲んで試料支持部の周囲の導電領域を拡張するフレームを提供する。
【００８４】
図２を参照する。さまざまな実施例において、本教示の試料支持部処理機構は、試料チャンバー２０５内に配置された試料支持部移動機構２００と、真空密閉チャンバー２１５内に配置された試料支持部変更機構２１０とを備える。さまざまな実施例において、試料支持部移動機構２００は、移動ステージ２１７（例、２軸または３軸のステージ）を備える。試料支持部移動機構は、試料チャンバーに配置されているが、真空密閉チャンバーへの部分を拡張して、試料支持部を試料支持部変更機構から引き出し、そこに戻すことができる。
【００８５】
操作中に、試料支持部を、真空密閉チャンバー２１５内の変更機構２１０の装着領域２２０（例、装着パッド上）内に配置し、真空密閉チャンバー２２５を閉じることができる。真空密閉チャンバーの空気を（約８０ミリトル以下に）抜いて、真空密閉と試料チャンバーとの間の試料チャンバードア（例えば、ゲート値）を開く。試料支持部移動機構は、左アームが、変更機構の左カム構造２３４と十分に一致し、右アーム２３６が変更機構の中央カム構造２３８と十分に一致するまで、Ｙ方向に平行移動させることができる。試料移動機構は、次いで、左および右アーム２３２および２３６を係合し、装着領域２２０内の試料支持部（他の構造を明確にするために図２には示さず）を取り込むように、Ｘ方向に平行移動させることができる。左および右アームが試料支持部に近づいたとき、左カム構造２３４および中央カム構造２３８が、それぞれ左および右アームの左および右ベアリング支持部構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、第一の解放部材２３９は、係合部材２４０を（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、試料支持部が移動機構の前面に対して係合できるようにする。さまざまな実施例において、試料支持部のためのフレーム（他の構造を明確にするために図２には示さず）は、装着領域における試料支持部の係合の前に、左アームと右アームとの間か、または装着領域内の試料支持部上に配置することができる。例えば、フレームが左アームと右アームとの間にあるとき（図３を参照のこと）、移動機構は、フレームが試料支持部のわずかに上にあって、フレームが、試料支持部上の対象となる試料に実質的に接触せずに、試料支持部上を通過することができるように配置される。さまざまな実施例において、試料支持部（他の構造を明確にするために図２には示さず）は、それが装着領域内に装着されるときに、フレーム内に配置することができ、試料移動機構は、フレームに入れられた試料支持部を係合して装着する。例えば、試料支持部が、試料移動機構による係合の前にフレーム内にある場合、フレームは、移動機構内に配置することができる。試料支持部を取り込んだ後、試料支持部を試料チャンバーに平行移動させ、試料チャンバードアを閉じて、イオン形成に好適な圧力まで試料チャンバーの空気を抜いて、例えばＭＡＬＤＩによってイオンの形成を始める。図２に示される試料チャンバーにおいて、試料イオンは、試料チャンバーから実質的にＺ方向に引き出される。図２の等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標２４１によって概略的に示す。
【００８６】
操作中に、例えばＭＡＬＤＩ分析の後に試料支持部を取り除くには、左アーム２３２が、変更機構の中央カム構造２３４と十分に一致し、右アーム２３６が、変更機構の右カム構造２４２と十分に一致するまで、試料移動ステージをＹ方向に移動させることができる。試料移動機構は、次いで、左および右アーム２３２および２３６が中央カム構造２３８および右カム構造２４２を係合し、第二の解放部材２４３が移動機構上の係合部材２４０を解放するように、Ｘ方向に平行移動させることができる。さまざまな実施例において、係合部材は、ローラーを備え、これは、傾斜した第二の解放部材２４３の表面（例、解放部材２４３の裏面）に追従することができ、それによって、試料支持部は、非装着領域２４５にゆっくりと解放され（例、急に落とさずに）、試料支持部取り込み部材２５０を押し下げることができる。試料移動機構がＸ方向に連なるとき、試料支持部は、移動機構の左および右アームから完全に解放され、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）の前縁部（非装着領域に最も遠い周縁部）は、取り込み部材に対して圧力を加え、係合部材２４０は、試料支持部から完全に解放される。さまざまな実施例において、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）の前縁部が、取り込み部材２５０の外縁部をクリアにすると、取り込み部材は、試料支持部（および／またはそれが保持されるフレーム部材）を（例、ばねで）係合して、試料支持部が移動機構によって引き出されないようにする。
【００８７】
図３は、本教示の試料処理機構のさまざまな実施例による、試料支持部移動機構３００の拡張部分を示し、取り込まれた試料支持部３０５およびフレーム３１０を示す図である。図３の等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標３１１によって概略的に示す。図３を参照する。試料支持部移動機構は、基礎３１５と、前面（本図では、試料支持部３０５およびフレーム３１０によって隠れている）に実質的に垂直である、左アーム３２０と、右アーム３３０とを備える。さまざまな実施例において、移動機構の基礎３１５は、試料チャンバー内のＸ−Ｙ移動ステージに取り付けられる。移動ステージを使用して、試料をイオン形成領域に移動させ、また試料支持部を真空密閉と試料チャンバーとの間に移動させることができる。
【００８８】
さまざまな実施例において、右アームベアリング支持部構造は、ピボットアーム３４０と、クランプアーム３４５とを備える。変更機構の装着領域または非装着領域への平行移動中に、変更機構の中央カム構造（装着操作）または右カム構造（脱着操作）は、第一の位置から第二の位置（装着操作）または第三の位置（脱着操作）へ下方に付勢するピボットアーム３４０を係合し、その後、クランプ機構３４５を押し下げて、右アームが、試料支持部を係合（装着操作）するか、または試料支持部を解放（脱着操作）できるようにする。
【００８９】
例えば、さまざまな実施例において、装着操作時に、移動ステージを装着領域へＸ方向に動かすと、試料支持部処理機構の左アーム３３０が装着領域のレジストレーション部材（図４Ｂのロッカーアーム）を作動させる。レジストレーション部材は、試料支持部を試料支持部移動機構のコーナー部に押し、左アームが基礎３１５の前面と接触する。移動機構が、装着領域へＸ方向に連なるとき、ピボットアーム３４０が解放され、クランプアーム３４５がフレーム上の保持構造３５０に対して試料支持部を押して、試料支持部の背面（すなわち、基礎の前面から離れた試料支持部の側面）をＺ方向に配置する。
【００９０】
さまざまな実施例において、フレームは、少なくともイオン源のイオン引き出し電極に面する面上に、導電面を備える。さまざまな実施例において、試料支持部周囲に導電領域を拡張することによって、試料支持部と引き出し電極との間の電場線の不連続部の減少が促進される。さまざまな実施例において、試料支持部をＺ方向に配置できる面に対向するフレームのコーナー部は低プロファイルを有し、電場の外乱の減少を促進する。
【００９１】
さまざまな実施例において、ピボットアームおよびクランプアームは、例えば、両側からの作動のために、移動機構の右アーム３３０および左アーム３２０の両方に実質的に複製される。動作は、例えばピボット点の固体ロッド３５５によって、アクティブ側からスレーブ側に移動させることができる。脱着操作において、例えば、移動機構は、非装着領域へＸ方向に動かすことができ、カム構造のうちの１つ以上が、ベアリング支持構造のうちの１つ以上を係合してクランプアームを解放し、第二の解放部材が係合部材を解放することによって、試料支持部は、移動機構の左および右アームの間から抜けることができる。移動機構を非装着領域から引き込ませると、取り込み機構（図４Ｂにストリッパプレートとして示す）は、試料支持部移動機構が引き込まれる時に、試料支持部がそれに追従しないようにする。
【００９２】
図４Ａおよび４Ｂを参照する。本教示の試料処理機構のさまざまな実施例による、試料支持部移動機構部（図４Ａ）および試料支持部変更機構部（図４Ｂ）の拡大図を示す。試料支持部処理機構は、試料支持部移動機構４００と、試料支持部変更機構４０５とを備え、試料変更機構は、真空密閉チャンバー内に配置される。試料支持部は、真空密閉チャンバーを通して出し入れすることができる。
【００９３】
例えば、操作中に、試料支持部を変更機構４０５の装着領域４１０内に配置して、真空密閉チャンバーのドアを閉じることができる。真空密閉チャンバーの空気が抜かれ、真空密閉チャンバー内が所望の真空度に達すると、２つのチャンバーを分離するドア４１２（例、仕切り弁）を開くことができる。Ｙ方向において、試料移動機構が装着領域４１０と一致すると、それを装着領域４１０へＸ方向に平行移動させることができる。左および右アームが試料支持部に近づいたとき、左カム構造４１５および中央カム構造４２０が、それぞれ左４２５および右４３０ベアリング支持構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第二の位置に付勢し、第一の解放部材４３５は、係合部材４４０を（例えば押し下げて）第二の位置に付勢する。さまざまな実施例において、係合部材は、基礎部材の前面４５５から離れる方に傾斜する傾斜表面４４２を備え、例えば、試料支持部のスムーズなレジストレーションを促進する。さまざまな実施例において、基礎部材の前面４５５は、ベアリングを備え、例えば、試料支持部のスムーズなレジストレーションを促進する。移動機構が装着領域へ連なるとき、左アーム４４５は、例えばロッカーアームピボット４５２の左カム側上に、レジストレーション部材４５０（ロッカーアームとして示す）を係合し、その後前面４５５および左アーム４４５に対して試料支持部を押すロッカーアームを回転させ、さまざまな実施例では、左アーム４４５および基礎の前面４５５に対してＸ−Ｙ方向に試料支持部を配置する。移動機構がＸ方向に装着領域へ連なるとき、係合部材４４０は、解放部材４３５の端部に到達し、係合部材は、試料支持部の前面（すなわち、基礎の前面により近い試料支持部の側面）をＺ方向に配置し、Ｘ方向に固定する、その第一の位置に（例、ばねで）戻る。さまざまな実施態様において、試料支持部は、左アームの保持突起部４５６（例、レッジ）、右アームの保持突起部４５７（例、レッジ）に対してＺ方向に配置される。保持突起部は、２つアーム間の距離部分のＹ方向にのみ延在する。移動機構が装着領域から試料チャンバーに引き込まれるとき、ベアリング支持ブロックが跳ね返り（それぞれの第一の位置に戻る）、プレートの背面をＺ方向に配置する。図４Ａおよび図４Ｂの等角図におけるＸ、Ｙ、およびＺ方向を、インセット座標４５８によって概略的に示す。
【００９４】
操作中に、例えば以下のように、試料支持部の脱着を進行することができる。真空密閉チャンバー内が所望の真空度に達したとき、２つのチャンバーを分離しているドア４１２（例、仕切り弁）を開くことができる。試料移動機構がＹ方向に非装着領域４６０と一致すると、それをＸ方向に非装着領域４６０へ平行移動させることができる。移動機構の左および右のアームが近づいたとき、それらは非装着領域に入り、中央カム構造４２０および右カム構造４６４が、左４２５および右４３０ベアリング支持構造を係合して、それらを（例えば押し下げて）第三の位置に付勢し、第二の解放部材４６５は、係合部材４４０を（例えば解放したまま）第三の位置に付勢する。さまざまな実施例において、ランプ部４６５は、係合部材４４０をゆっくりと下ろし、試料支持部は、（例えば押し下げて）第一の位置から第二の位置に付勢する試料支持部取り込み機構４７０（例えば、図４Ａにばね懸架式ストリッパプレートとして示される）を係合する。さまざまな実施例において、係合部材４４０は、第二の解放部材４６５を係合するローラー４７２を備える。試料支持部の前縁部がストリッパプレート４７０の外延部４７５を通過するときに、ストリッパプレートが（例えば第三の位置に）跳ね返り、移動機構が試料チャンバー内に引き込まれたときに、試料支持部を非装着領域内に保持する。
【００９５】
さまざまな側面において、本教示は、質量分析のための試料イオンを提供する方法を提供する。図１Ａ乃至４Ｂを参照する。さまざまな実施例において、本方法は、複数の試料３７０を試料支持部３０５の試料表面３７５上に支持するステップと、試料支持部２２０を装着するための領域および試料支持部２４５を脱着するための領域を有する真空密閉チャンバー１０６および２１５を提供するステップと、試料チャンバー内に配置された試料移動機構１０８および２００を有する試料チャンバー１６０および２０５を提供するステップとを含む。
【００９６】
本方法では、試料支持部が、例えば、Ｚ方向において約±０．００２インチ以内に、Ｘ方向において約±０．００５インチ以内に、また、Ｙ方向において約±０．００５インチ以内に、試料支持部移動機構内のフレーム３１０内に配置されるように、試料移動機構１０８および２００によって装着２２０のための領域内に配置され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向は互いに直交し、Ｚ方向は、試料支持部の表面に実質的に垂直である。試料支持部は、試料チャンバー１６０および２０５内の第一の位置に配置され、（例えば、試料表面上の第一の試料をイオン源引き出し電極１６２と一致させる）が、試料支持部の表面上の第一の試料には、エネルギーパルス１６４が照射され、第一群の試料イオンを形成し、一方で、試料支持部は試料移動機構によって保持され、少なくとも一部の第一群の試料イオンがＺ方向１６６に引き出される。試料支持部は、次いで、試料チャンバー内の第二の位置に平行移動され、（例えば、試料表面上の第二の試料をイオン源引き出し電極１６２と一致させる）が、試料支持部の表面上の第二の試料には、エネルギーパルス１６４が照射され、第二群の試料イオンを形成し、一方で、試料支持部は、試料移動機構によって保持され、少なくとも一部の第二群の試料イオンがＺ方向１６６に引き出される。さらに、試料支持部が、試料支持部を脱着２４５するための領域内の試料支持部移動機構によって配置される前に、試料を試料支持部上で分析することができる。本方法は、少なくとも１つの他の試料支持部を引き出すステップに続けて、試料支持部上の少なくとも２つの試料に対する平行移動、照射、および引き出しのステップを繰り返し行う。
【００９７】
さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の５度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、エネルギーパルスを試料に照射するステップのうちの少なくとも１つは、試料支持部の表面の法線の１度以下の照射角度で試料に照射して、マトリックス支援レーザー脱離イオン化によって試料イオンを形成するステップを含む。さまざまな実施例では、試料イオンの少なくとも一部を引き出すステップのうちの少なくとも１つは、第一のイオン光軸に沿って、Ｚ方向に試料イオンを引き出すステップを含み、第一のイオン光軸は、エネルギーパルスと実質的に同軸である。
【００９８】
例えば、図１Ａ乃至１Ｄを参照すると、さまざまな実施例において、試料イオンは、エネルギーパルス１６４と実質的に同軸で、実質的に一致する第一のイオン軸１６８に沿って引き出される。
【００９９】
（イオン源）
さまざまな側面において、本教示は、質量分析計とともに使用するための、ＭＡＬＤＩイオン源およびＭＡＬＤＩイオン源の操作方法に関する。さまざまな側面において、本教示は、さまざまな実施例において、イオンの半径方向の空間的集束を実質的に低下させずに初期のイオン速度によるイオン到着時間の広がりの補償を促進し、調整可能な速度空間焦点面を可能にする、３ステージイオン源を提供する。当業者に概ね理解されているように、速度空間焦点面の所望の位置は、主にＴＯＦ機器の操作モードによって特定される。
【０１００】
図５を参照する。本教示の３ステージイオン源５００は、試料表面５０４、第一の電極５０６、第二の電極５０８、および第三の電極５１０を有する、試料支持部５０２を備える。さまざまな実施例において、第一ステージ５２０は、試料表面５０４および第一の電極５０６によって画定され、第二ステージ５２２は、第一の電極５０６および第二の電極５０８によって画定され、第三ステージ５２４は、第二の電極５０８および第三の電極５１０によって画定される。さまざまな実施例において、第一ステージ５２０は、試料表面５０４および第二の電極５０８によって画定され、第二ステージ５２２は、第一の電極５０６および第二の電極５０８によって画定され、第三ステージ５２４は、第二の電極５０８および第三の電極５１０によって画定される。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。例えば、第一の電極５０６は、円錐部５１１を有するスキマー状とすることができる。
【０１０１】
さまざまな実施例において、２つ以上の操作モードを有するＴＯＦ質量分析計の操作方法は、試料表面５０４と第三の電極５１０との間に電位差を設定することによってイオンエネルギーを構築するステップと、第一の電極５０６および第二の電極５０８のうちの１つへの電位を変化させることによってイオンを集束させるステップとを含む。さまざまな実施例において、第一の操作モードでは、Ｚ方向における時間集束面の位置は、第一の電位を試料表面５０４に付加し、第二の電位を第一の電極５０６に付加することによって選択され、イオンは、第三の電位を第二の電極５０８に付加することによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向に集束される。ＴＯＦ質量分析計の集束では、第二の操作モードに対するＺ方向における時間集束面の位置は、第一の電極５０６に付加された電位を変化させることによって選択され、イオンは、第二の電極５０８に付加された電位を変化させることによって、Ｚ方向に実質的に垂直な方向に集束される。
【０１０２】
試料イオンは、ホルダーの試料表面上に配置された試料にエネルギーパルスを照射することによって発生させることができる。さまざまな実施例において、速度空間焦点面およびｘ，ｙ空間的集束を提供するために、３ステージイオン源は、電源と、試料支持部に電気的に連結された、第一、第二、および第三の電極とを備え、（ａ）第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、（ｂ）試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速する、（ｃ）第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。非引き出し電場を構築するために、試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。第一の引き出し電場のうちの１つ以上を構築するために、また第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるために、試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１０３】
さまざまな実施態様において、非引き出し電場を遅延電場とすることができ、遅延電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【０１０４】
図５を参照する。第二の所定時間での試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極の相対的な電位の一例を、Ｚ座標５５７の関数として、電位５５５のインセット概略線図５５０に示す。図１および表１のデータのための座標系をインセット座標系基準５６０によって示す。Ｚ軸は、イオン引き出し軸５７０に沿って位置し、Ｙ軸は、図の平面のＺ軸に対して垂直であり、Ｘ軸は、図の平面から外へＺ軸に対して垂直であり、原点は、イオン引き出し軸５７０と試料表面５０４との交点５７５である。
【０１０５】
いくつかの実施例において、第一および第二の電極は、開口を有する。さまざまな実施例において、試料イオンは、第一の電極５０６および第二の電極５０８内の開口の中央を通り抜ける軸によって画定される、第一のイオン光軸５７０に沿って引き出される。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスと第一のイオン光軸とを実質的に一致させるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、試料イオンは、試料表面に実質的に法線方向に第一のイオン光軸に沿って引き出され、エネルギーパルスは、第一のイオン光軸と実質的に一致する。第三の電極は、実質的に平坦なプレートまたはグリッドである、開口電極とすることができる。さまざまな実施例において、第三の電極は、第一、第二、第三の開口電極の開口の中心が実質的に共通の軸となるように配置される。
【０１０６】
第一および第二の電極内の開口が、照射される試料の実質的に中央にあり、第一および第二の電極が、試料表面の法線周辺で実質的に対称である場合、第一のイオン光軸は、試料表面の実質的に法線の角度で試料表面と交差し、引き出し方向は、試料表面の実質的に法線の角度となり、引き出し方向は、第一のイオン光軸に実質的に平行となり、試料イオンは、第一のイオン光軸に沿って引き出される。
【０１０７】
本教示の３ステージイオン源は、イオン源のための更なる調整可能なパラメータを導入することができ、これを使用して、（Ｚ方向における）特定の位置での速度空間焦点面の最適化による、イオンビームのｘ，ｙ空間的集束特性の変化を補償することができる。この更なるパラメータによって、本教示の３ステージイオン源のオペレータは、イオン源の第二ステージの有効長を静電気的に変化させることができ、したがって、速度空間焦点面の位置を損なわずに、イオンビームのｘ，ｙ空間的集束特性の最適化を促進し、その位置は、主にイオン源の第一ステージの電圧比およびジオメトリによって決定される。２ステージイオン源の性質および速度空間焦点面を形成するための操作は、上述した通りであり、例えば、Ｍ．ＶｅｓｔａｌおよびＰ．Ｊｕｈａｓｚ、Ｊ．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃ、９、８９２−９１１（１９９８）を参照のこと。これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【０１０８】
表１乃至６は、実質的に図１に示される３ステージイオン源のイオンビーム特性を２ステージイオン源と比較したものである（すなわち、第三に電極に電位を付加せずに動作する図１の供給源の構成）。表１乃至６のデータは、ＳＩＭＩＯＮ（ｖ７．０、Ｉｄａｈｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）を使用して計算したものであり、その入力パラメータは、ｄ１ ５８０＝２ｍｍ、ｄ２ ５８２＝１３．６７５ｍｍ、ｄ３ ５８４＝３．１７５ｍｍ、および初期のイオン速度＝３００ｍ／ｓである。表１乃至６は、試料支持部の表面の法線に関して、さまざまな初期の速度ベクトル角度（列１）によって形成したイオンに対する、イオンビームの拡散α（すなわち、供給源出口５８６でのイオンビームの角度偏差α）（列５）および２つのＺ位置、供給源出口５８８（列３）、および７４．４ｍｍの位置５９０（列４）でのイオンビームの半径方向位置（例、ＸまたはＹ）を比較したものである。列２は、第三の電極に付加された電位をリストしたものであり、この場合、イオン源の２ステージ操作に対応するゼロ電位である。
【０１０９】
表１乃至３は、試料支持部の表面の法線に対して、０、１５、３０、４５度の初期の速度ベクトルで、原点５７５において形成されたイオンに対する結果を比較したものである。表４乃至６は、試料支持部の表面の法線に対して、０、１５、３０、４５度の初期の速度ベクトルで、Ｙ方向に＋５０ミクロンにて形成されたイオンに対する結果を比較したものである。
【０１１０】
表１乃至６はまた、速度空間焦点面を提供するようにイオン源を動作させた場合の、３つの操作モード（線形ＴＯＦ、イオンミラーＴＯＦ、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ）に対するイオンビーム特性を比較したものでもある。表１および４は、試料支持部への電位が２０ｋＶ、第一の電極への電位が１９．１ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が３７０ｎｓである場合の線形ＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。表２および５は、試料支持部への電位が２０ｋＶ、第一の電極への電位が１６ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が６００ｎｓである場合のイオンミラーＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。表３および６は、試料支持部への電位が８ｋＶ、第一の電極への電位が７．３ｋＶで、遅延引き出しに対する時間遅延が４６０ｎｓである場合のＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモード操作に対する結果を比較したものである。
【０１１１】
表１乃至６では電位が与えられているが、本教示には、電位の絶対値はそれほど重要ではないことを理解されたい。さらに、さまざまな電位をゼロまたはグランドと表しているが、これは、単に本願明細書に出現する式における表記の利便性および簡潔さのためのものであることを理解されたい。当業者は、電極における電位が真のグランド電位でなくてもよいことを容易に認識されよう。例えば、電極における電位は、真のアースグランドを著しく（例えば、数千ボルト以上）超える（または下回る）電位の「フローティンググランド」とすることができる。したがって、本願明細書において、ゼロまたはグランドという電位の記述は、いずれにせよ、アースグランドに関して電位の値を制限するものと解釈されてはならない。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
【表２】
【０１１４】
【表３】
【０１１５】
【表４】
【０１１６】
【表５】
【０１１７】
【表６】
比較したデータには、イオンビームにおける角拡散が、全ての操作モードに対して、３ステージイオン源は、２ステージイオン源よりも約１桁またはそれ以下であることが示されている。表１乃至６において、イオン光軸を形成するイオンおよびイオンミラーＴＯＦモード操作に対して、その差異がより顕著である傾向がある。
【０１１８】
図６を参照する。さまざまな実施例において、３領域イオン源６００は、試料支持部６０２、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８を備える。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。例えば、第一の電極は、円錐部６０９を有するスキマー状とすることができる。
【０１１９】
試料イオンは、支持部６０２の試料表面６１２上に配置された試料６１０にエネルギーパルスを照射することによって、また、表面６１２と第三の電極６０８との間の電位差を選択することによって構築した試料イオンエネルギーによって発生させることができる。絶縁層は、試料と試料表面との間に挿入することができる。電源６１４は、試料表面６１２、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８のそれぞれに電気的に連結され、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない第一の領域６２０内の第一の非引き出し電場を構築するように構成される。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、対象となる試料イオンの試料表面から離れる方向への動作を遅延させる、遅延領域とすることができる。電源は、例えば、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極に付加することによって遅延電場を構築することができ、（ａ）第一の電位は、対象となる試料イオンが正のイオンである場合、第二の電位よりも負であり、（ｂ）第一の電位は、対象となる試料イオンが負のイオンである場合、第二の電位よりも正である。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。非引き出し電場を構築するために、試料表面、第一の電極、および第二の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１２０】
電源はまた、試料表面から離れる第一の方向６２３に、対象となる試料イオンを加速する第一の引き出し電場を、所定時間で少なくとも第一の領域６２０内に構築し、第一の方向６２３に実質的に垂直な方向に、対象となるイオン試料を空間的に集束させる空間的集束電場を、第二の領域６２２と第三の領域６２４のうちの少なくとも１つ以上にわたって構築するように構成される。電源は、例えば、試料表面６１２、第一の電極６０４、および第二の電極６０６のうちの１つ以上への電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができる。１つ以上の第一の引き出し電場および空間的集束電場を構築するために、試料表面、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に付加される電位は、ゼロ電位とすることができる。
【０１２１】
例えば、対象となるイオンが正のイオンである場合、電源は、試料表面の電位が第一の電極の電位よりも正であるように、試料表面および第一の電極のうちの１つ以上の電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができ、電源はまた、第二の電極への電位が第三の電極への電位よりも正であるように、第二の電極と第三の電極との間に電位差を構築することによって、第二の引き出し電位を構築することができる。
【０１２２】
例えば、対象となるイオンが負のイオンである場合、電源は、試料表面の電位が第一の電極の電位よりも負であるように、試料表面および第一の電極のうちの１つ以上の電位を変化させることによって、第一の引き出し電場を構築することができ、電源はまた、第二の電極への電位が第三の電極への電位よりも負であるように、第二の電極と第三の電極との間に電位差を構築することによって、第二の引き出し電位を構築することができる。
【０１２３】
電極は、単一の装置、複数のスタンドアロンの装置、複数の統合装置、またはその組み合わせを備えることができる。例えば、電源は、試料支持部および第一の電極に電気的に連結された第一の電源と、第一の電極および第二の電極に電気的に連結された第二の電源と、第二の電極および第三の電極に電気的に連結された第三の電源とを備えることができる。電源は、例えば、手動制御、電子制御、および／またはプログラム可能なものとすることができる。
【０１２４】
本願明細書で使用される用語「電源」は、簡潔な記述を容易にするものであり、制限することを意図したものではない。本願明細書で使用される用語「電源」は、電源が必ずしも単一の装置を備えるわけではないこと、すなわち、試料支持部、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のそれぞれが、複数の装置のそれぞれに電気的に連結された、複数の装置を電源が備える場合、を示唆することを意図したものではない。例えば、再び図６を参照して、さまざまな実施例において、電源６１４は、複数の電源６５０および６５２を備えることができる。電源は、例えばフローティンググランドのような、別の電源に電気的に連結して、例えば基準電位を提供することができる。
【０１２５】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射するように構成された光学システムを含む。さまざまな実施例において、光学システムは、レンズまたは窓を備えることができる。光学システムはまた、ミラーまたはプリズムを備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。さまざまな実施例において、光学システムは、レーザーエネルギーのパルスとイオンの取り出し方向とが実質的に一致するように構成される。
【０１２６】
再び図６を参照する。さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、供給源の少なくとも一部の周囲に配置された温度制御された表面６６０と、第一の電極、第二の電極、および第三の電極のうちの１つ以上に接続され、これを加熱することができる加熱システム６７０とを含む。いくつかの実施例において、加熱システム６７０は、その周囲に温度制御された表面６６０が配置されたイオン源の全ての要素、中性ビームの経路内のイオン光学要素、またはその両方に接続される。さまざまな実施例において、加熱システム６７０は、第一の電極６０４、第二の電極６０６、および第三の電極６０８に接続される。
【０１２７】
さまざまな実施例において、加熱システム６７０を使用して、イオン源の要素のうちの１つ以上の温度を上昇させて、供給源の要素上に付着する中性物の量を減少させる。中性の付着物の量は、イオン源の要素を加熱して、例えば、加熱された表面上に中性物が固着する可能性を減少させるか、付着物を揮発させるか、またはその両方によって減少させることができる。さまざまな実施例において、温度制御された表面６６０は、イオン源の要素のうちの１つ以上の温度よりも低く保持され、それを使用して中性分子を取り込み、それらが他の表面に付着しないようにする。さまざまな実施例において、温度制御された表面は、中性分子を取り込むように構成および使用され、それによって、イオン源の要素上に付着する中性分子の量が減じられる。イオン光学上の中性の付着物の量は、イオン源の要素の温度よりも、温度制御された表面の温度を低く設定して、例えば、温度制御された表面上に中性物が固着する可能性を増加させるか、脱離した中性物を取り込むか、またはその両方によって減少させることができる。
【０１２８】
さまざまな実施例において、イオン源の要素の１つ以上は、マトリックス分子がこれらの要素に固着しないように加熱され、それによって、これらの要素への絶縁層の蓄積が減じられる。ＭＡＬＤＩ内に発生する中性のプルームは、絶縁層を構築する可能性もある不揮発性の非マトリックス材を少量含むことができるが、この非マトリックス材の濃度は、一般に、マトリックス材のものよりも数桁低い。これによって、一般に、非マトリックス材の付着が顕著になるまでの時間が、より長くなる。加えて、さまざまな実施例において、イオン源の要素の表面を加熱することによって、当該の付着の抵抗率が減少し、したがって、イオンビームを偏向させる非対称の荷電効果をさらに減少させる。
【０１２９】
さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源の要素を加熱することができる加熱システムを含み、これらの要素は、表７にリストされたマトリックス材のうちの１つ以上を脱離するに十分な温度に加熱される。表７の右欄は、ＭＡＬＤＩ研究における関連するマトリックス材に対する代表的な要素の一部をリストしたものである。
【０１３０】
【表７−１】
【０１３１】
【表７−２】
さまざまな実施例において、加熱システムは、イオン源の要素の温度を上昇させることができ、これらの要素は、マトリックス材を脱離するに十分な温度に加熱される。
【０１３２】
さまざまな実施例において、イオン源の要素の１つ以上は、十分に高い温度まで定期的に加熱され、これらの要素の表面上のあらゆる付着物を迅速に気化させる。さまざまな実施例において、「ブランク」または「ダミー」の試料支持部を、例えばイオン源の１つ以上の要素上に形成された付着物が、ブランク（機器から取り除くことができる）上か、温度制御された表面上か、またはその両方に再付着するように、ＭＡＬＤＩ試料支持部の代わりに用いることができる。
【０１３３】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、第四の電極を含む。いくつかの実施例において、第四の電極は、第三の電極に実質的に平行な、平坦なプレートまたはグリッドである。
【０１３４】
第四の電極は、実質的に平坦なプレートまたはグリッドである、開口電極とすることができる。さまざまな実施例において、第四の電極は、第二および第三の開口電極の開口の中心が、実質的に共通の軸となるように配置される。さまざまな他の実施例において、第四の電極は、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置される。さまざまな実施例において、第四の電極が、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置された場合、第四の電極は、試料支持部から引き出す方向に沿って移動する中性分子が、第四の電極と実質的に衝突しないように配置される。
【０１３５】
さまざまな実施例において、本教示の３ステージイオン源は、第一のイオン偏向板を含み、試料イオンを、引き出す方向とは異なる方向に偏向させる。さまざまな実施例において、第一のイオン偏向板は、第三の電極と第四の電極との間に配置される。さまざまな実施例において、第四の電極は、偏向させた試料イオンを第四の電極が受けられるように、第二の電極と第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置され、また、いくつかの実施例では、第四の電極は、それが質量分析計に試料イオンを導くことを促進にするように配置される。
【０１３６】
ＭＡＬＤＩによるイオン発生は、イオンに加えて中性分子のプルームを生成する。さまざまな実施例において、この中性のプルームの一部は、１つ以上の電極内の開口を通って、実質的に引き出す方向に沿った軸を有する基本的に円錐を形成する。最後の電極の開口サイズおよび最後の電極と試料表面と間の距離は、最後の電極を越えて移動する中性ビームの軸の周囲に、前記円錐の半角（δ）を決定する。さまざまな実施例において、イオン光学素子（例、第四の電極など）が、第二の電極および第三の電極内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置された場合、これらのイオン光学素子は、中性ビーム内の中性分子が軸外のイオン光学素子と実質的に衝突しないように配置することができる。さまざまな実施例において、当該の軸外のイオン光学素子は、中性ビームの軸に垂直な方向に、中性ビームの軸から距離Ｌだけ離れて配置される。さまざまな実施例において、軸外の光学要素は、距離Ｌにおける中性ビームの輝度が少なくとも、中性ビームの軸における中性ビームの輝度の１４％未満、中性ビームの軸における中性ビームの輝度の５％未満、または中性ビームの軸における中性ビームの輝度の１％未満であるように、距離Ｌに配置される。さまざまな実施例において、軸外の光学要素は、距離Ｌが、少なくとも距離Ｌｍｉｎ離れるように配置され、Ｌｍｉｎは次式で与えられる：
Ｌｍｉｎ＝Ｄｚ ｔａｎ（δ） （１）
ここで、Ｄｚは、軸外のイオン光学素子と試料表面との間の引き出す方向における距離であり、δは、最後の要素を越えて移動する中性ビームの円錐の半角であり、中性ビームの円錐の半角（δ）を決定する。
【０１３７】
図７Ａおよび７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステム７００の実質的に原寸に比例した図である。図７Ａは前部断面図であり、図７Ｂは断面図である。図７Ａおよび７Ｂの表示を容易にするために、システム７００は、床を方向７０１に、天井を方向７０２に配向し、機器の「前部」は、視点７０３からのものとすることができる。図７Ｃは、図７Ａ一部分の拡大図である。
【０１３８】
図７Ａ乃至７Ｃによって示されるさまざまな実施例は、制限することを意図したものではない。例えば、本教示のイオン源を取り入れたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図７Ａ乃至７Ｃに示されるシステムよりも少ない構成要素を備えるか、またはシステムよりも多い構成要素を備えることができる。加えて、本教示のイオン源を取り入れたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムは、図７Ａ乃至７Ｃに示される部品の配置に必ずしも制限されるものではない。むしろ、示された配置は、本教示を実施する多数のモードの一部である。
【０１３９】
図７Ａ乃至７Ｃを参照する。図示されたシステムは、試料支持部を装着および脱着することができる、真空密閉チャンバー７０６を備えた試料支持部処理システム７０５と、試料支持部を真空密閉チャンバー７０６からイオン源領域７２０に移送するように構成された試料支持部移動機構７０８とを備える。試料支持部移動機構は、イオン源内の１つ以上の次元に試料支持部を平行移動させるための移動機構を備えて、例えば、試料支持部上の２つ以上の試料の連続的な分析を促進することができる。いくつかの実施例において、移動機構は、ｘ−ｙ（２次元）平行移動ステージを備える。
【０１４０】
図７Ｃを参照する。イオン源領域７２０は、試料表面７２４を有する試料支持部７２２と、試料支持部７２２から間隔を隔てた第一次電極７２６と、試料支持部７２２に対向する方向に第一の電極７２６から間隔を隔てた第二の電極７２８と、第一の電極７２６に対向する方向に第二荷の電極７２８から間隔を隔てた第三の電極７３０とを備えた、本教示による３ステージイオン源を備えることができる。
【０１４１】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、イオンビームの実質的に中心で、試料イオン源の加速領域からの出口での軌跡の角度が、実質的に試料イオンの質量に依存しないイオンビームを提供することができる。いくつかの実施例において、当該の軌跡は、試料表面の実質的に法線の照射角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射し、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出して、イオンビームを形成することによって提供される。さまざまな実施例において、エネルギーパルスは、引き出す方向に実質的に平行な第一のイオン光軸と実質的に同軸である。試料表面の実質的に法線の照射角度で、試料支持部の試料表面上の試料にレーザーエネルギーのパルスを照射し、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出す例は、米国特許第１０／７００，３００号（２００３年１０月３１日出願）に見出すことができ、これらの内容は参照することにより全て本願明細書に組み込まれる。
【０１４２】
図７Ａおよび７Ｂに示されるシステムは、例えば、線形ＴＯＦ操作、イオンミラー（リフレクトロン）ＴＯＦ操作、およびＭＳ／ＭＳ ＴＯＦ操作などの、さまざまなモードで操作することができる。線形ＴＯＦの操作モードにおいて、イオン源領域７２０で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的に電場のない領域（第一の実質的にフィールドフリー領域）７４０に引き出され、第一の検出器７４２にドリフトする。実質的にフィールドフリー領域は、領域全体にわたって実質的に一定の電位ではなく、ゼロ電位を必ずしも示唆するものではないことを理解されたい。線形ＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０にはガスが付加されず、イオンミラー７６０はオフである。線形ＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、第一の検出器７４２と一致するように設定される。
【０１４３】
イオンミラー（リフレクトロン）モードにおいて、イオン源領域７２０で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的にフィールドフリー領域７４０に引き出され、イオンミラー７６０に移動し、第二の検出器７６２に反射される。線形ＴＯＦモードのように、イオンミラーＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０にはガスが付加されない。イオンミラーＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、イオンミラー７６０の焦点面と一致するように設定される。その結果、イオンミラーＴＯＦモードにおける時間焦点面の所望の位置は、線形ＴＯＦモード操作におけるものよりもイオン源に近い。
【０１４４】
ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、イオン源領域７２０内で生成されたイオンは、（１つ以上のイオン源電極によって構築された電場によって）第一の実質的にフィールドフリー領域７４０に引き出され、親イオンのｍ／ｚ範囲外に偏向させることによって、イオンフラグメンター（ここでは、衝突セル７５０を備える）に送られる親イオンのｍ／ｚ範囲を選択する、タイムドイオンセレクタ７７０に移動する。ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、衝突セル７５０は、適切な衝突ガスで満たされ、衝突誘起解離（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：ＣＩＤ）によって親イオンをフラグメント化して、フラグメントイオンを生成する。さまざまな実施例において、フラグメントイオンは、例えば、単分子プロセスが、単分子イオンの流束量を増加させる可能性が高くなるような、試料イオンの単分子解離によって生成することができる。フラグメントイオンは、別の実質的にフィールドフリー領域７７２への１つ以上の出口電極によって構築された電場によって引き出すことができ、フラグメントイオンは、例えば、イオンミラー７６０を使用して分析して、第二の検出器７６２を使用して検出するか、またはイオンミラー７６０を使用せずに分析して、第一の検出器７４２を使用して検出することができる。ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおいて、イオン源の時間集束面は、一般に、タイムドイオンセレクタ７７０と一致するように設定される。その結果、ＭＳ／ＭＳ ＴＯＦモードにおける時間焦点面の所望の位置は、イオンミラーまたは線形ＴＯＦモード操作におけるものよりもイオン源に近い。
【０１４５】
さまざまな実施態様において、３ステージイオン源は、試料表面に実質的に法線の角度で、試料支持部７２２の試料表面７２４上の試料にレーザーエネルギーのパルス７８０を照射するように構成される。さまざまな実施例において、光学システムは、窓７８２およびプリズムまたはミラーを７８４を備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。レーザーエネルギーのパルスは、例えば、パルスレーザーまたは連続波（ｃｗ）レーザーによるレーザーシステム７９０によって提供することができる。ｃｗレーザーの出力は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）、交差偏光子、回転チョッパー、およびシャッターを使用して、パルスを生成するように変調することができる。ＭＡＬＤＩによって対象となる試料イオンを生成するための好適な照射波長のあらゆるタイプのレーザーには、これに限定されないが、ガスレーザー（例、アルゴンイオン、ヘリウム−ネオン）、色素レーザー、化学レーザー、固体レーザー（例、ルビー、ネオジムベース）、エキシマレーザー、ダイオードレーザー、およびそれらの組み合わせ（例、ポンプレーザーシステム）が挙げられ、本教示のイオン源および質量分析計システムとともに使用することができる。
【０１４６】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、試料表面の実質的に法線方向に試料イオンを引き出すように構成される。図７Ａ乃至７Ｃにおいて、イオン源は、第一の開口電極７２６と、第二の開口電極７２８とを備える。第一の電極内の開口の中心と、第二の電極内の開口の中心との間の線を使用して、第一のイオン光軸７９２を画定することができる。したがって、さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、放射のパルスおよび第一のイオン光軸が、実質的に同軸であるように、また、さまざまな実施例において、放射のパルスおよび第一のイオン光軸が実質的に一致するように構成される。
【０１４７】
さまざまな実施例において、第一の電極内の開口は、試料支持部７２２を移動することによって照射される試料上に実質的に中心がある。いくつかの実施例において、試料支持部７２２は、１軸平行移動動作、ｘ−ｙ（２軸）平行移動動作、またはｘ−ｙ−ｚ（３軸）平行移動動作が可能な試料支持部移動機構７９４によって保持され、照射のために試料を配置する。第一の電極内の開口が実質的に照射される試料の中心にあり、第一の開口が、試料表面の法線の周囲に実質的に対称である場合、引き出す方向は、実質的に試料表面の法線となる。
【０１４８】
いくつかの実施例において、試料支持部は、複数の試料を保持することができる。好適な試料支持部は、これに限定されないが、６４スポット、９６スポット、および３８４スポットのプレートが挙げられる。試料は、レーザーエネルギーのパルスの波長で吸収し、試料内の対象となる分子の脱離およびイオン化を促進する、マトリックス材を含む。
【０１４９】
さまざまな実施例において、３ステージイオン源は、イオン源の少なくとも一部の周囲に配置された温度制御された表面と、第一の電極７２６、第二の電極７２８、および第三の電極７３０のうちの１つ以上に接続された加熱システム７９５と、第一のイオン偏向板７９６とを含む。いくつかの実施例において、加熱システムは、その周囲に温度制御された表面が配置されたイオン源の全ての要素、中性ビームの経路内のイオン光学要素、またはその両方に接続される。
【０１５０】
さまざまな実施態様において、第一のイオン偏向板７９６は、第三の電極７３０と第四の電極７９７との間に配置され、引き出す方向とは異なる方向に、第二のイオン光軸７９８上に試料イオンを偏向させる。管または他の好適な構造７９９を使用して、例えば、イオンを偏向させた後に、浮遊電場から試料イオンを遮蔽するか、電場の均一性を保つか、またはその両方を行う。さまざまな実施態様において、当該の構造７９９は、温度制御された表面としての機能を果たすか、加熱システムに接続するか、またはその両方を行うことができる。
【０１５１】
本教示の３ステージイオン源は、多種多様な質量分析計および質量分析計システムとともに使用することが可能である。質量分析計は、単一の質量分析機器、または例えばタンデム質量分析（しばしばＭＳ／ＭＳと称される）または多次元質量分析（しばしばＭＳｎと称される）を用いた複数の質量分析器とすることができる。好適な質量分析装置には、これに限定されないが、飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置、四重極質量分析装置（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＱＭＳ）、およびイオンモビリティ分析装置（ＩＭＳ）が挙げられる。好適な質量分析計システムはまた、イオン反射器および／またはイオンフラグメンターを含むことができる。好適な質量分析計および好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、本願明細書の他の箇所に記載されたものも挙げられる。
【０１５２】
好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、衝突セル（イオンを中性ガス分子と衝突させることによってイオンをフラグメント化する）、光解離セル（イオンに光子のビームを照射することによってイオンをフラグメント化する）、およびイオンフラグメンター（イオンを固体または液体の表面に衝突させることによってイオンをフラグメント化する）が挙げられる。
【０１５３】
（イオン光学）
さまざまな側面において、本教示は、イオンフラグメンターに対するイオンを集束させる方法、およびイオンフラグメンターを備えたイオン光学組立部の操作方法を提供する。さまざまな実施例において、本教示は、広範囲の衝突エネルギーにわたって入射イオンビームの焦点の位置を実質的に保持し、それによって広範囲のエネルギーにわたって衝突セルに平行イオンビームを供給する方法を提供する。
【０１５４】
図８Ａおよび９を参照する。さまざまな実施例において、イオン光学組立部８００および９００は、減速レンズ８１０および９１０と衝突セル８１５および９１５との間に配置された、第一のイオンレンズ８０５および９０５を備える。第一のイオンレンズは、本願明細書において「集束レンズ」とも称されるが、これは、さまざまな実施例において、半径方向の焦点が第一のレンズ内のイオンビームに対して存在することによるものである。減速レンズ８１０および９１０、および集束レンズ８０５および９０５は、複数のレンズ要素（例、電極）で構成することができる。使用可能なさまざまな電極の形状および構成には、これに限定されないが、プレート、グリッド、円錐、およびそれら組み合わせが挙げられる。イオン光学組立部は、試料イオンを衝突セルに送る試料イオンを選択するためのタイムドイオンセレクタ９０７を含むことができる。
【０１５５】
減速レンズおよび集束レンズは、レンズ要素を共有することができる。例えば、さまざまな実施例において、減速レンズ８１０および９１０は、第一の電極８２２および９２２と、第二の電極８２４および９２４と、第三の電極８２６および９２６とを備え、集束レンズ８０５および９０５は、第三の電極８２６および９２６と、第四の電極８２８および９２８と、第五の電極８３０および９３０とを備える。さまざまな実施例において、それぞれの電極は、実質的に同じ電位であり、例えば、さまざまな実施例において、第五の電極は、実質的に衝突セルの入口と同じ電位であり、さまざまな実施例において、第一の電極は、実質的に第二の電極と電位であり、さまざまな実施例において、第三の電極は、実質的に第五の電極と同じ電位である。
【０１５６】
図８Ｂを参照する。イオン光学組立部のイオン光軸８３５に沿った方向Ｄ ８３４の関数として、電位８３２の概略線図を示したものである。電位の絶対値および相対値は、原寸に比例したものではなく、図８Ｂは、単に、方向Ｄに進むにつれて電位が増加するのか、減少するのかを示すことを意図するものであると理解されたい。さらに、一般的な規則によって、電位の線図は、対象となる試料イオンが正のイオンである場合について描画されたのもであるが、負のイオンについての図は、電位が、方向Ｖ ８３２に減少するとみなされる場合に得ることができることも理解されたい。
【０１５７】
図８Ａ乃至９を参照する、さまざまな側面において、本教示は、ある供給源の電位で形成された試料イオンを集束させるための方法を含む。さまざまな実施例において、本方法では、減速レンズ８１０によって第一の電場（減速電場）を形成し、第一の電位を減速レンズの電極に付加することによって、入ってくる試料イオンを減速し、減速レンズ８１０と第一のイオンレンズ８０５との間に第二の電場（加速電場）を構築し、第二の電位を第一のイオンレンズの電極に付加することによって、減速レンズから離れるように第一のイオンレンズに試料イオンを加速し、第一のイオンレンズ８０５と入口８３７との間に第三の電場（減速電場）を構築して、第三の電位を衝突セルの入口に付加することによって、衝突セルに入る前に試料イオンを減速する。
【０１５８】
例えば、さまざまな実施例において、減速電位を第一の電極８２２および第二の電極８２４にのうちの１つ以上に付加することによって、減速電位を減速レンズ８１０に付加することができる。例えば、第一の電極８４２の電位および／または第二の電極８４４の電位が入力（ｅｎｔｒｙ）電位８４０よりも大きい場合、入力電位８４０の領域から減速レンズに入る正の試料イオン（例、プロシーディングドリフト領域、イオン光学素子など）は減速電位に遭遇する。図８Ｂでは第一の電極および第二の電極への電位が異なるように示されているが、それらは同じになる可能性もある。正の試料イオンに対する加速電位差は、減速レンズへの電位８４４未満である電位８４６を第一のイオンレンズの電極８２８に付加することによって、減速レンズ８１０と第一のイオンレンズ８０５との間に構築することができる。正の試料イオンに対する減速電位差は、イオンレンズの電位８４６を超える電位８４８を衝突セルの入口に付加することによって、第一のイオンレンズ８０５と衝突セルへの入口８３７との間に構築することができる。さまざまな実施例において、それぞれの電極は、実質的に同じ電位であり、例えば、さまざまな実施例において、第三の電極と、第五の電極と、衝突セルへの入口は、実質的に同じ電位８４８である。
【０１５９】
さまざまな実施例において、試料イオンは、減速レンズ８１０および９１０への入口８５２から距離Ｆ離れた焦点に実質的に集束される。さまざまな実施例において、本方法は、集束レンズ８０５への電位を変化させることによって、衝突エネルギーの範囲にわたって、イオン光学組立部内の実質的に同じ位置で、平行入力イオンビームの焦点を保持する。さまざまな実施例において、第一の衝突エネルギーと第二の衝突エネルギーとの間の差が、約５０００電子ボルト未満である場合、距離Ｆは、（ａ）約±４％未満、（ｂ）約±２％未満、および／または（ｃ）約±１％未満で変動する。
【０１６０】
表８は、入口８５２からの距離Ｆの焦点に集束させた入力直径８６０の、および出力直径８６４の平行イオンビーム８６２を形成する平行入力イオンビームに対する、２つの異なる衝突エネルギー、５００電子ボルト（ｅＶ）および１０００ｅＶでの焦点位置に関するデータを示す。図８Ａにおいて、衝突セル８１５の後ろのイオン光学素子８７０に電位を付加した。表８を参照する。本教示により、衝突エネルギーを５００ｅＶから１０００ｅＶに変化させ、減速レンズ８１０への電位を変化させたときに、算出した焦点位置の変化が１％未満であることがわかる。
【０１６１】
表９および図１０Ａは、本教示のさまざまな実施例による、衝突エネルギーの範囲にわたって実質的に３４ｍｍの距離Ｆに焦点を保持する、減速レンズ８１０および集束レンズ８０５の適用のための、算出した電位に関するデータを示す。
【０１６２】
表１０および図１０Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、衝突エネルギーの範囲にわたって実質的に３４ｍｍの距離Ｆに焦点を保持する、減速レンズ８１０および集束レンズ８０５の適用のための、算出した電位に関するデータを示し、焦点は、減速イオンレンズ８１０への電位を実質的に保持し、第一のイオンレンズ８０５への電位を変化させることによって、実質的に距離Ｆ＝３４ｍｍに保持される。例えば、５００ｅＶの衝突エネルギーデータの場合、減速イオンレンズの電位（６２００Ｖ）は、他の衝突エネルギーで付加された電位（６３５０Ｖ）の２．５％未満である。
【０１６３】
表８、９、および１０、ならびに図１０Ａおよび１０Ｂのデータは、ＳＩＭＩＯＮ（ｖ７．０、Ｉｄａｈｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）を使用して計算したものであり、入力および出力パラメータは表にリストしたものである。表９および１０は、それぞれ、図１０Ａおよび１０Ｂにプロットされた値を提供する。ＳＩＭＩＯＮ計算に使用した構造は、実質的に図８Ａに示されるものであり、その構造要素は実質的に原寸に比例する。図８Ａにおける構造の絶対的なサイズの推定は、図８Ａに示されるように、第一の電極８２２への入口と焦点距離Ｆとの間の距離が約３４ｍｍであることに注目することによって行うことができる。
【０１６４】
表８乃至１０および図１０Ａおよび１０Ｂでは電位が与えられているが、本教示には、電位の絶対値はそれほど重要でないことを理解されたい。さらに、さまざまな電位をゼロまたはグランドと表しているが、これは、単に本願明細書の表記の利便性および簡潔さのためのものであることを理解されたい。当業者は、電極における電位が真のグランド電位である必要がないことを容易に認識されよう。例えば、電極における電位は、真のアースグランドを著しく（例えば、数千ボルト以上）超える（または下回る）電位の「フローティンググランド」とすることができる。したがって、本願明細書において、ゼロまたはグランドという電位の記述は、いずれにせよ、アースグランドに関して電位の値を制限するものと解釈されてはならない。
【０１６５】
【表８】
【０１６６】
【表９】
【０１６７】
【表１０】
（イオン光学組立部）
さまざまな側面において、本教示は、イオン光学素子の調整を容易にする機能を有するイオン光学組立部を提供する。図１１および１２を参照する。さまざまな実施例において、本教示のイオン光学組立部１１００および１２００は、取り付け本体１１０５および１２０５と、第一の複数のイオン光学素子１１１０および１２１０と、前面部材１１１４および１２１４と、前面固定部材１１１８（図１２では前面部材に隠れている）と、第二の複数のイオン光学素子１１２０および１２２０と、背面部材１１２４および１２２４と、背面固定部材１１２８および１２２８とを備える。前面部材１１１４および１２１４、ならびに背面部材１１２４および１２２４は、少なくとも１つの取り付け部材１１３０および１２３０によって取り付け本体１１０５に取り付けられる。
【０１６８】
端部部材（前面部材１１１４および１２１４、ならびに背面部材１１２４および１２２４）は、それらが関連する固定部材（それぞれ、前面１１１８、および背面１１２８および１２２８）に係合されたときに、固定部材の接触面が、関連する複数の要素（例えば、第一の複数の要素１１４２と接触する前面部材接触面１１４０、および第二の複数の要素１１４６と接触する背面部材接触面１１４４）と接触することができ、複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加することができるようにねじが付けられる。
【０１６９】
さまざまな実施例において、イオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、それぞれの固定部材によって圧縮力が付加されて、前記レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、その近傍に対してイオン光学素子を調整するイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【０１７０】
例えば、凹部構造１１５０は、補助的レジストレーション構造（例、ピン、スペーサなど）を受けうるように構成された、例えばスロット、カウンターボア、孔などを備えることができ、凹部構造１１５２は、イオン光学素子面と交差する第一の表面を備えて、例えば、要素の面上にコーナー部を形成し、それに対して隣接するイオン光学素子を調整することができる。さまざまな実施例において、レジストレーション構造は、スペーサ１１５４（電気的に絶縁することができる）としての機能を果たし、イオン光学要素に適切な間隔を隔てることができる。さまざまな実施例において、レジストレーション構造は、例えば、隣接するようその面上のコーナー部に対して調整することができるコーナー部１１５６のような、イオン光学素子の形状によって提供される。
【０１７１】
本教示において、イオン光学素子は、それぞれの固定部材によって圧縮力を付加することによって調整される。圧縮力は、固定部材上のねじをそれぞれの端部部材上のねじと係合させることによって付加される。本願明細書で使用する場合、用語「ねじ」および「ねじ付き」は、これに限定されないが、ヘリカル稜、スパイラル稜、および円形稜を含む。したがって、これらの用語は、これに限定されないが、完全な円または完全な円の部分を形成する平行の陵を含む。稜は、連続的または断続的とすることができる。例えば、陵に切り欠きを付けて、これらの空間に閉じ込められたガス、または供給されるガスの排出を容易にする。
【０１７２】
ねじがヘリカルまたはスパイラル陵を有する場合のさまざまな実施例において、固定部材をそれぞれの端部部材にねじ込んで、圧縮力を付加することができる。ねじが円形陵を有する場合のさまざまな実施例において、固定部材を（例えばスナップ取り付けを提供する）それぞれの端部部材に押し込んで、圧縮力を付加することができる。さまざまな実施例において、固定部材は自己固定であり、例えば、イオン光学レンズが、輸送時または機器の振動によって緩まないようにすることができる。さまざまな実施例において、固定部材は、予め選択されたトルクが付加されたときに自己固定となる。さまざまな実施例において、固定部材は、押し込んだとき（例えばスナップ取付けを提供する）に自己固定となり、固定部材の調整を含み、例えば、固定部材（押し込んだときにねじ内の切り欠きを貫通する）上の構造をねじの後ろの位置まで回転させて、固定部材を適所に固定することもできる。
【０１７３】
端部部材は、あらゆる適切な手段によって取り付け本体に取り付けることができる。取付けは、永続的または可逆的とすることができる。図１１は、取り付け手段の限定されない一例を示すが、当業者は、多数の他の手段が利用可能であると認識されよう。例えば、さまざまな実施例において、端部部材は、ねじ付きロッドを使用して取り付けられ、このロッドの一端は、取り付け本体に押されるか、またはねじ込まれ、他端は、ボルトによって端部部材に取り付けられる。
【０１７４】
さまざまな実施例において、取り付け本体は、イオンフラグメンテーションを行うための領域を備える。例えば、さまざまな実施例において、取り付け本体は、例えば衝突ガスを提供するための流路１１７２を有する衝突セル１１７０と、真空ポンプとの流体連通のための開口部１１７６とを備える。
【０１７５】
さまざまな実施例において、本教示に記載されているように、固定部材によるイオン光学素子の圧縮によるそれらの調整は、イオン光学素子の調整および組立てを簡素化することができる。本教示において、イオン光学素子の圧縮および調整には、トルクパターンが不要である。さまざまな実施例において、固定部材は、イオン光学部材を適所に固定することができるので、輸送のためにイオン光学組立部を固定する更なる部品を必要としない。
【０１７６】
さまざまな側面において、本教示は、イオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムを提供する。図１２を参照する。さまざまな実施例において、取り付けおよび調整システムは、取り付け表面１２４２を有する取り付け基礎１２４０と、取り付け表面に対向する背部表面１２４４とを有する。複数対の突出部１２５０は、取り付け表面１２４２から突出し、１つ以上の取り付け構造１２５２は、突出部の各対に関連付けられ、少なくとも１つの電気的接続要素１２５４は、突出部の各対に関連付けられ、電気的接続要素は、背部表面から取り付け表面まで取り付け基礎を貫通する。本システムは、２つ以上のイオンの光学的要素支持部１２６０も備え、それぞれのイオンの光学的要素支持部は、複数対の突出部のうちの１つ以上を受けるように構成された一対の凹部を有する（取り付け表面と接触させるイオンの光学的要素支持部の面上の各凹部の一般的な位置は、対応する突出部に接続する破線１２６２によって示される）。
【０１７７】
取り付け表面上の複数対の突出部およびそれらの対応する凹部の位置は、イオンの光学的要素支持部の一対の凹部が、一対の突出部に関連付けられた１つ以上の取り付け構造を使用してイオンの光学的要素を取り付け基礎に取り付けることによって、対応する対の突出部と調整されるときに、前記イオンの光学的要素に取り付けられたイオンの光学的要素が、そのように取り付けられた他のイオンの光学的要素と実質的に一致し、前記イオンの光学的要素上の電気的接続部位（例、１２８０）は、対応する一対に突出部に関連付けられた対応する電気的接続要素に隣接するように構成される。
【０１７８】
多種多様な突出部および補助的な凹部の形状には、これに限定されないが、孔および／またはスロットと嵌合するピンを使用することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、イオンの光学的要素支持部の１つの配向だけが、イオンの光学的要素支持部の対の凹部を、対応する対の突出部によってレジストレーションに導くことができるように構成される。例えば、さまざまな実施例において、一意の凹部および突出部パターンを使用して、イオンの光学的要素支持部を配向することができる。さまざまな実施例において、複数対の突出部は、異なるイオンの光学的要素に対して、異なる形状を有するように構成される。
【０１７９】
（質量分析計システム）
さまざまな側面において、本教示は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計システムを提供する。図１Ａ乃至１Ｄ、２、３、および７Ａ乃至７Ｃを参照する。さまざまな実施例において、質量分析計システムは、（ａ）エネルギーパルスが、試料表面に実質的に法線の角度で試料表面の試料に衝突するように、試料表面１９２および３７５上の試料３７０にエネルギーパルス１６５を照射するように構成された光学システム７８２および７８４と、（ｂ）本教示のＭＡＬＤＩイオン源７２０と、（ｃ）第一のイオン光軸１６６および７９２からのイオンを偏向させるように構成されたイオン偏向板７９６であって、それに沿ってイオンが質量分析計システムおよび第二のイオン光軸１９４および７９８に引き出されるイオン偏向板と、（ｄ）イオン偏向板７９６とタイムドイオンセレクタ１４２および７７０との間に配置された第一の実質的にフィールドフリー領域１２０および７４０であって、タイムドイオンセレクタは、第一の実質的にフィールドフリー領域と衝突セル１４４および７５０との間に配置されるフィールドフリー領域と、（ｅ）衝突セルと第一のイオン検出器１２５との間に配置された第二の実質的にフィールドフリー領域１２２と、（ｆ）第二の実質的にフィールドフリー領域と第一のイオン検出器との間に配置されたイオンミラー１３０と、（ｇ）イオンミラーと第二のイオン検出器１３５との間に配置された第三の実質的にフィールドフリー領域１２４とを備える。タイムドイオンセレクタは、第二のイオン光軸に沿って移動するイオンを受けるように配置され、衝突セルへ伝送するイオンを選択するように構成される。
【０１８０】
さまざまな実施例において、光学システムは、窓７８２およびプリズムまたはミラー７８４を備えて、レーザーエネルギーのパルスを試料上に導くことができる。さまざまな実施例において、１つ以上の構造１９０が提供され、例えば、試料イオンがイオンミラー１３０から第二の検出器１３５に移動するときに、浮遊電場から試料イオンを遮蔽するか、電場の均一性を保つか、またはその両方を行う。
【０１８１】
さまざまな実施例において、ＭＡＬＤＩイオン源７２０は、試料支持部７２２から間隔を隔てた第一の電極７２６と、試料支持部ホルダーに対向する方向に第一の電極から間隔を隔てた第二の電極７２８と、第一の電極に対向する方向に第二の電極から間隔を隔てた第三の電極７３０とを備え、試料支持部、第一、第二、および第三の電極は、電源に電気的に連結され、第一の電位を試料表面に付加し、第二の電位を第一の電極および第二の電極のうちの少なくとも１つに付加して、実質的に試料表面にエネルギーパルスを衝突させて試料イオンを形成する前に、第一の所定時間で非引き出し電場を構築し、前記非引き出し電場は、実質的に試料イオンを試料表面から離れる方向に加速しない、試料表面および第一の電極のうちの少なくとも１つの電位を変化させて、第一の所定時間後の第二の所定時間で第一の引き出し電場を構築し、前記引き出し電場は、試料表面から離れる方向に試料イオンを加速し、第一の引き出し電場は、エネルギーパルスと実質的に同軸の第一のイオン光軸に沿って、試料表面から離れる第一の方向に試料イオンを加速する、および第三の電位を第二の電極に付加して、第一の方向に実質的に垂直な方向にイオンを集束させるような状態になるように構成される。
【０１８２】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、真空密閉チャンバー１０６と、真空密閉チャンバーに接続された試料チャンバー１６０とをさらに備える。試料支持部変更機構２１０は真空密閉チャンバー内に配置され、試料支持部移動機構１０８は試料チャンバー内に配置される。試料支持部移動機構は、試料支持部が、試料支持部移動機構内のフレーム３１０内に配置されるように、試料支持部変更機構の装着領域２２０から試料支持部を引き出すように構成される。試料支持部移動機構は、エネルギーパルス１６４による試料支持部の表面上の試料のレーザー照射によって試料イオンを発生させることができ、前記試料支持部は、試料支持部移動機構内に保持される位置に、試料支持部を移動させることができるように、多軸移動ステージ１１２上に装着され、試料支持部は、試料チャンバー内にあり、前記試料イオンは、第一のイオン光軸１６６および７９２に沿って引き出される。
【０１８３】
さまざまな実施例において、非引き出し電場は、試料表面から離れる方向において試料イオンの動作を遅延させる遅延電場とすることができる。さまざまな実施例において、非引き出し電場は、実質的にゼロ電場とすることができ、例えば、実質的に電気的フィールドフリー領域が構築される。実質的にゼロ電場は、例えば、第一の電位および第二の電位が実質的に等しいときに構築することができる。
【０１８４】
さまざまな実施例において、質量分析計システムは、その中に配置された１つ以上の温度制御された表面をさらに備える。
【０１８５】
さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタ１４２および７７０、および衝突セルは、イオン光学組立部１９５の部分１４４および７５０を備え、イオン光学組立体は、前面部材１９７と取り付け本体１９８の前側との間に配置された第一の複数のイオン光学素子１９６を備える。前面部材は、少なくとも１つの取り付け部材１９９によって取り付け本体に取り付けられ、前面部材は、前面固定部材のねじ付き表面を受けるように構成されたねじ付き開口部を有する。取り付け本体は、衝突セルを収容し、タイムドイオンセレクタは、イオン光学素子のうちの少なくとも１つを備える。前面部材のねじ付き開口部は、前面固定部材のねじ付き表面が、前面部材のねじ付き開口部内に係合されたときに、前面固定部材の接触面が、第一の複数のイオン光学素子と接触して、第一の複数のイオン光学素子に対して圧縮力を付加できるように構成される。第一の複数のイオン光学素子のそれぞれは、補助的レジストレーション構造を受けるように構成された凹構造と、前部固定部材によって圧縮力が付加されて、レジストレーション構造が補助的凹構造内に配置されたときに、他の第一の複数のイオン光学素子のうちの少なくとも１つに対して、第一の複数のイオン光学素子を調整するレジストレーション構造とを有する。
【０１８６】
ＭＡＬＤＩによってイオンを発生させると、イオンに加えて中性分子のプルームを生成する。イオン光学素子が、第一のイオン光軸１６６および７９２内の開口の中心を通り抜ける軸から外れて配置される場合のさまざまな実施例において、これらの光学素子は、中性ビーム内の中性分子が、軸外のイオン光学素子と実質的に衝突しないように配置することができる。さまざまな実施例において、当該の軸外のイオン光学素子は、式（１）で求められるように、距離Ｌだけ離して配置することができる。
【０１８７】
（質量分析計）
多種多様な質量分析計を、本教示のさまざまな側面とともに使用することが可能である。質量分析計は、単一の質量分析機器、または例えばタンデム質量分析（しばしばＭＳ／ＭＳと称される）または多次元質量分析（しばしばＭＳｎと称される）を用いた複数の質量分析器とすることができる。好適な質量分析装置には、これに限定されないが、飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置、四重極質量分析装置（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＱＭＳ）、およびイオンモビリティ分析装置（ＩＭＳ）が挙げられる。好適な質量分析計システムはまた、イオン反射器および／またはイオンフラグメンターを含むことができる。
【０１８８】
好適なイオンフラグメンターには、これに限定されないが、衝突セル（イオンを中性ガス分子と衝突させることによってイオンをフラグメント化する）、光解離セル（イオンに光子のビームを照射することによってイオンをフラグメント化する）、およびイオンフラグメンター（イオンを固体または液体の表面に衝突させることによってイオンをフラグメント化する）が挙げられる。
【０１８９】
さまざまな実施例において、質量分析計は、主イオンを選択し、および／またはそのフラグメントイオンを検出および分析するための三連四重極質量分析装置を備える。さまざまな実施例において、第一の四重極は、主イオンを選択する。第二の四重極は、イオンの一部をフラグメント化させる複数の低エネルギー衝突が生じるように、十分に高い圧力および電圧に保持される。第三の四重極は、走査されてフラグメントイオンのスペクトルを分析する。
【０１９０】
さまざまな実施例において、質量分析計は、主イオンを選択し、および／またはそのフラグメントイオンを検出および分析するための、２つの四重極質量フィルタと、ＴＯＦ質量分析装置とを備える。さまざまな実施例において、第一の四重極は、主イオンを選択する。第二の四重極は、イオンの一部をフラグメント化させる複数の低エネルギー衝突が生じるように、十分に高い圧力および電圧に保持され、ＴＯＦ質量分析装置は、フラグメントイオンのスペクトルを検出および分析する。
【０１９１】
さまざまな実施例において、本教示とともに使用する質量分析計は、２つのＴＯＦ質量分析計と、１つのイオンフラグメンター（例えば、ＣＩＤまたはＳＩＤなど）とを備える。さまざまな実施例において、第一のＴＯＦは、イオンフラグメンターへの導入のための主イオンを選択し、第二の質量分析装置は、フラグメントイオンのスペクトルを検出および分析する。ＴＯＦ分析器は、線形または反射分析器とすることができる。
【０１９２】
さまざまな実施例において、質量分析計は、飛行時間型質量分析装置と、イオン反射器とを備える。イオン反射器は、ＴＯＦのフィールドフリードリフト領域の端部に配置され、これを使用して、イオンの飛行経路を変更することによって、初期の運動エネルギーの影響を補償する。さまざまな実施例において、イオン反射器は、加速電圧よりもわずかに大きなレベルまで上昇させる電位によって付勢される一連のリングから構成される。操作中に、イオンが反射器を貫通するとき、それらの電場の方向における速度がゼロになるまで、イオンが減速される。ゼロ速度点では、イオンの方向が反転し、反射器を通って逆方向に加速される。イオンは、入ったときのエネルギーと同じエネルギーだが、反対方向の速度で反射器を出る。より大きなエネルギーを有するイオンは、より深く反射器を貫通し、結果的に、より長い時間反射器内に残存する。反射機内で使用する電位は、質量および電荷と同等のイオンが実質的に同時に到着するように選択されて、イオンの飛行経路を変更する。
【０１９３】
さまざまな実施例において、質量分析計は、対象となる主試料イオンを選択するタンデムイオンセレクタと、試料イオンのフラグメントを生成するフラグメンテーションチャンバー（またはイオンフラグメンター）と、フラグメントイオンを分析する質量分析計とを有する第一のフィールドフリードリフト領域を備えた、タンデムＭＳ−ＭＳ機器を備える。さまざまな実施例において、タイムドイオンセレクタは、パルスイオン偏向板を備える。さまざまな実施例において、第二のイオン偏向板を、さまざまな前記タンデムＭＳ／ＭＳ機器内のパルスイオン偏向板として使用することができる。操作のさまざまな実施例において、パルスイオン偏向板によって、選択した質量電荷比の範囲内にあるイオンだけをイオンフラグメンテーションチャンバーに送ることができる。さまざまな実施例において、質量分析計は、飛行時間型質量分析装置である。質量分析計は、イオン反射器を含むことができる。さまざまな実施例において、フラグメンテーションチャンバーは、イオンのフラグメンテーションを生じさせ、引き出しを遅延させるようにデザインされた衝突セルである。さまざまな実施例において、フラグメンテーションチャンバーは、飛行時間型質量分析装置によるフラグメントイオンの分析のための、遅延引き出しイオン源としての機能を果たすこともできる。
【０１９４】
さまざまな実施例において、質量分析計は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンの経路に沿って配置された、第一、第二、および第三のＴＯＦ質量分離器を有する、タンデムＴＯＦ−ＭＳを備える。第一の質量分離器は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンを受けるように配置される。第一の質量分離器は、パルスイオン源によって発生された複数のイオンを加速し、それらの質量電荷比に基づいて複数のイオンを分離し、それらの質量電荷比に基づいて、前記複数のイオンから第一の群のイオンを選択する。第一の質量分離器はまた、第一の群のイオンの少なくとも一部をフラグメント化する。第二の質量分離器は、第一の質量分離器によって発生された第一の群のイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。第二の質量分離器は、第一の群のイオンおよびそのフラグメントを加速し、それらの質量電荷比に基づいて第一の群のイオンおよびそのフラグメントを分離し、それらの質量電荷比に基づいて、第一の群にイオンおよびそのフラグメントから第二の群のイオンを選択する。第二の質量分離器はまた、第二の群のイオンの少なくとも一部をフラグメント化する。第一および／または第二の質量分離器はまた、イオンガイドと、イオン集束要素および／またはイオン操作要素とを含むことが可能である。さまざまな実施例において、第二のＴＯＦ質量分離器は、第一の群のイオンおよびそのフラグメントを減速させる。さまざまな実施例において、第二のＴＯＦ質量分離器は、フィールドフリー領域と、実質的に第二の所定の範囲内の質量電荷比であるイオンを選択するイオンセレクタとを含む。さまざまな実施例において、第一および第二のＴＯＦ質量分離器のうちの少なくとも１つは、フラグメント化されたイオンを選択するタイムドイオンセレクタを含む。さまざまな実施例において、第一および第二の質量分離器のうちの少なくとも１つは、イオンフラグメンターを含む。第三の質量分離器は、第二の質量分離器によって発生されたイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。第三の質量分離器は、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを加速し、それらの質量電荷比に基づいて、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを分離する。さまざまな実施例において、第三の質量分離器は、パルス加速を使用して、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを加速する。さまざまな実施例において、イオン検出器は、第二の群のイオンおよびそのフラグメントを受けるように配置される。さまざまな実施態様において、イオン反射器は、フィールドフリー領域内に配置され、第一または第二の群のイオンおよびそのフラグメントがイオン検出器に到達する前に、それらのうちの少なくとも１つのエネルギーを補正する。
【０１９５】
さまざまな実施例において、実量分析計は、複数の飛行経路か、同時に実行することができる複数の操作モードか、またはその両方を有するＴＯＦ質量分析計を備える。前記ＴＯＦ質量分析計は、第一のイオン経路、第二のイオン経路、または第三のイオン経路に沿って質量分析計に入る試料イオンのパケットから選択されるイオンを導く、経路選択イオン偏向板を含む。いくつかの実施例において、より多くのイオンの経路を用いることが可能である。さまざまな実施例において、第二のイオン偏向板を、経路選択イオン偏向板として使用することができる。時間依存電圧は、経路選択イオン偏向板に付加され、利用可能なイオン経路の中から選択し、所定の質量電荷比の範囲内にある質量電荷比を有するイオンは、選択されたイオン経路に沿って伝播することができる。
【０１９６】
例えば、複数の飛行経路を有するＴＯＦ質量分析計の操作のさまざまな実施例では、第一の所定の電圧が、第一の所定の質量電荷比の範囲に対応する第一の所定時間の間、経路選択イオン偏光板に付加され、それによって、第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、第一のイオン経路に沿って伝播させる。さまざまな実施例において、前記第一の所定の電圧はゼロであり、イオンが初期の経路に沿って伝播し続けられるようにする。第二の所定の電圧は、第二の所定の質量電荷比の範囲に対応する第二の所定時間の間、経路選択イオン偏光板に付加され、それによって、第二の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、第二のイオン経路に沿って伝播させる。第三、第四などを含む更なる時間範囲および電圧を用いて、特定の測定に必要とされるだけの数のイオン経路に適応することができる。第一の所定電圧の振幅および極性は、イオンを第一のイオン経路へと変更させるように選択され、第二の所定電圧の振幅および極性は、イオンを第二のイオン経路へと変更させるように選択される。第一の時間間隔は、第一の所定の質量電荷比の範囲内にあるイオンが経路選択イオン偏向板を通って伝播するの時間に対応するように選択され、第二の所定の質量電荷比の範囲内にあるイオンが経路選択イオン偏向板を通って伝播するの時間に対応するように選択される。第一のＴＯＦ質量分離器は、第一のイオン経路に沿って伝播する第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンのパケットを受けるように配置される。第一のＴＯＦ質量分離器は、第一の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、それらの質量に基づいて分離する。第一の検出器は、第一のイオン経路に沿って伝播している第一の群のイオンを受けるように配置される。第二のＴＯＦ質量分離器は、第二のイオン経路に沿って伝播するイオンのパケットの一部を受けるように配置される。第二のＴＯＦ質量分離器は、第二の質量電荷比の範囲内にあるイオンを、それらの質量に基づいて分離する。第二の検出器は、第二のイオン経路に沿って伝播している第二の群のイオンを受けるように配置される。いくつかの実施例において、第三、第四などを含む更なる質量分離器および検出器は、対応する経路に沿って導かれたイオンを受けるように配置することが可能である。一実施例では、第三の所定に質量範囲内にあるイオンを破棄する第三のイオン経路を用いる。第一および第二の質量分離器は、あらゆるタイプの質量分離器とすることができる。例えば、第一および第二の質量分離器のうちの少なくとも１つは、フィールドフリードリフト領域、イオン加速器、イオンフラグメンター、またはタイムドイオンセレクタを含むことができる。第一および第二の質量分離器は、複数の質量分離機器を含むこともできる。さまざまな実施例において、イオン反射器を含み、第一の群のイオンを受けるように配置され、それによって、イオン反射器は、第一の群のイオンに対するＴＯＦ質量分析計の分解能を向上させる。さまざまな実施例において、イオン反射器を含み、第二の群のイオンを受けるように配置され、それによって、イオン反射器は、第二の群のイオンに対するＴＯＦ質量分析計の分解能を向上させる。
【０１９７】
全ての文献、および特許、特許出願書、記事、書籍、専門書、論文、およびウェブページを含む、本出願に引用した類似した資料は、当該の文献および類似した資料のフォーマットに関係なく、参照することによりそれらの全体が明白に組み込まれる。定義された用語、用語の使用、記述された技術などを含む、組み込まれた文献および類似した資料のうちの１つ以上が、本出願と異なるか、または矛盾する場合、本出願が管理する。
【０１９８】
本願明細書に使用された項見出しは、単に構成目的のためであり、いずれにせよ、記述された内容を制限するものとして解釈されるものではない。
【０１９９】
本教示は、さまざまな実施例および例とともに記述されているが、本教示が当該の実施例または例を制限することを意図するものではない。逆に、本教示は、さまざまな代替案、改良、および同等物を包含することが、当業者に理解される。
【０２００】
請求項は、そのような趣旨で述べられたものでない限り、記述された順序または要素に制限するものであると読み取るべきではない。本発明は、特定の例示的実施例を参照して特に示され、記述されているものであるが、添付の請求項の範囲を逸脱しない限り、形態および詳細におけるさまざまな変更が可能であると理解されたい。一例として、開示された機能のうちのいずれかを他の開示された機能のうちのいずれかと組み合わせて、本教示のさまざまな実施例によるＭＡＬＤＩイオン形成および質量分析計の作成を行うことができる。例えば、開示された試料処理機構、イオン源、光学システム、イオン光学システム、加熱システム、温度制御された表面の構成、イオン光学組立部、および質量分析計のいずれかの２つ以上を組み合わせて、本教示のさまざまな実施例による質量分析計を作成することができる。したがって、以下の請求項およびその同等物の範囲および趣旨に入る全ての実施例を主張するものである。
【図面の簡単な説明】
【０２０１】
【図１Ａ】図１Ａは、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例の正面断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本教示のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムのさまざまな実施例の側面断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃおよび図１Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂの真空密閉チャンバー、試料チャンバーおよびイオン形成領域部分を拡大した図である。
【図１Ｄ】図１Ｃおよび図１Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂの真空密閉チャンバー、試料チャンバーおよびイオン形成領域部分を拡大した図である。
【図２】図２は、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構および真空密閉チャンバーの等角図である。
【図３】図３は、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構を装着した試料支持部を備えた試料支持部移動機構の等角図である。
【図４Ａ】図４Ａおよび図４Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構の等角図であって、図４Ａは、試料支持部移動機構部を示す図であり、図４Ｂは、試料支持部変更機構部を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａおよび図４Ｂは、本教示のさまざまな実施例による、試料支持部処理機構の等角図であって、図４Ａは、試料支持部移動機構部を示す図であり、図４Ｂは、試料支持部変更機構部を示す図である。
【図５】図５は、例示的なイオン軌道を有する本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を概略的に示す図である。
【図６】図６は、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を概略的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａおよび図７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムの断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａおよび図７Ｂは、本教示の３ステージイオン源のさまざまな実施例を取り入れた、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦシステムの断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、イオン源の部分に注目した、図７Ａの一部の拡大図である。
【図８Ａ】図８Ａは、イオンフラグメンターと、イオン光学素子とを備えたイオン光学組立部の図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、組立部のさまざまな素子への電位を概略的に示す図である。
【図９】図９は、イオンフラグメンターと、イオン光学素子とを備えたイオン光学組立部の断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８Ａのイオン光学組立部に対する、異なる衝突エネルギーでのさまざまなイオン光学への電位の棒グラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８Ａのイオン光学組立部に対する、異なる衝突エネルギーでのさまざまなイオン光学への電位の棒グラフである。
【図１１】図１１は、本教示のイオン光学組立部のさまざまな実施例の側断面図である。
【図１２】図１２は、本教示のイオンの光学的要素を取り付けおよび調整するためのシステムのさまざまな実施例の等角図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面を有する試料支持部と、
前記試料支持部から間隔があけられた第一の電極と、
前記第一の電極から、前記試料支持部ホルダーと反対方向に間隔があけられた第二の電極と、
前記第二の電極から、前記第一の電極と反対方向に間隔があけられた第三の電極と、
前記試料支持部と、前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とに電気的に結合された電源と
を備える、質量分析計のためのイオン源であって、
前記電源は、
第一の電位を前記試料表面に印加し、第二の電位を前記第一の電極と前記第二の電極とのうちの少なくとも１つに印加して、試料イオンを形成するためのエネルギーのパルスを前記試料表面上の試料に当てるよりも実質的に前である第一の所定時間に、非抽出電場であって、試料イオンを前記試料表面から離れる方向に実質的に加速しない非抽出電場を確立することと、
前記試料表面と前記第一の電極とのうちの少なくとも１つの電位を変更することにより、前記第一の所定時間の後である第二の所定時間に、第一の抽出電界であって、試料イオンを前記試料表面から離れる第一の方向に加速する第一の抽出電界を確立することと、
第三の電位を前記第二の電極に印加することにより、試料イオンを実質的に前記第一の方向に抽出する第二の抽出電界を確立することと
を実行するように構成されている、イオン源。
【請求項２】
第一のイオン光軸が、前記第一の電極における開口の中心と前記第二の電極における開口の中心との間の線によって規定され、前記第一のイオン光軸は、前記試料表面の法線から５度以下の角度内で前記試料表面と交差する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記第一のイオン光軸が、前記試料表面の法線から１度以下の角度内で前記試料表面と交差する、請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記電源が２つ以上の電力供給を備え、前記２つ以上の電力供給のうちのそれぞれは、前記試料表面、前記第一の電極、前記第二の電極、前記第三の電極のうちの２つ以上と、あるいは互いに電気的に結合される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
光学システムは、エネルギーのパルスが前記試料表面の法線から１度以下の角度内で前記試料表面上の試料に当たるように、前記エネルギーのパルスを前記試料表面上の試料に照射するよう構成される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記第一の方向が、実質的に前記試料表面の法線であり、前記エネルギーのパルスが、前記第一の方向と実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記エネルギーのパルスが干渉性電磁放射を備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とのうちの１つ以上に接続されたヒーターシステムと、
実質的に、前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とのうちの１つ以上の周囲に配置される温度制御された表面と
をさらに備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記第三の電極から、前記第二の電極と反対の方向に間隔があけられたイオン偏向板であって、試料イオンを第二の方向に偏向させるよう構成されるイオン偏向板をさらに備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記イオン偏向板に接続されたヒーターシステムを備える、請求項９に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記イオン源が、前記イオン偏向板から、前記第三の電極と反対の方向に間隔があけられた第四の電極であって、前記第二の方向に移動する試料イオンを受けるよう位置付けられる第四の電極をさらに備える、請求項９に記載のイオン源。
【請求項１２】
前記第四の電極は、前記試料支持部から前記第一の方向に移動する中性分子が、実質的に前記第四の電極に衝突しないように、位置付けられる、請求項１１に記載のイオン源。
【請求項１３】
前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とが、イオンビームを形成するための前記試料イオンを抽出するように配置され、照射角度および第一の方向は、実質的に前記イオンビームの中心における、前記試料イオンの第三の電極からの出口での軌跡の角度が、前記試料イオンの質量と実質的に無関係である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１４】
前記非抽出電場が、遅延電場であって、前記試料表面から離れる方向に、前記試料イオンの動作を遅延させる遅延電場を含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１５】
２つ以上の操作モードを有する飛行時間型質量分析計の操作方法であって、前記飛行時間型質量分析計は、試料表面を有する試料支持部と、前記試料支持部から間隔があけられた第一の電極と、前記第一の電極から、前記試料支持部ホルダーと反対の方向に間隔があけられた第二の電極と、前記第二の電極から、前記第一の電極と反対の方向に間隔があけられた第三の電極とを有するイオン源を備え、前記方法は、
前記試料表面と前記第三の電極との電位差を選択することによって、イオンエネルギーを確立するステップと、
第一の操作モードのために、第一の電位を前記試料表面に印加し、第二の電位を前記第一の電極に印加することによって、ｚ方向の時間集束面の位置を選択するステップと、
前記第一の操作モードのために、第三の電位を前記第二の電極に印加することによって、実質的に前記ｚ方向に垂直な方向にイオンを集束するステップと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記試料支持部の表面上に配置される試料を提供するステップと、
前記試料支持部表面の法線から１度以下の範囲内の照射角度で、前記試料にエネルギーのパルスを照射することにより、マトリックス支援レーザー脱離／イオン化によって試料イオンを形成するステップと、
所定時間において前記試料支持部表面と前記第一の電極との間に電位差を印加することによって、実質的に前記試料支持部の法線方向に、第一のイオン光軸に沿って、試料イオンを抽出するステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一のイオン光軸が、前記エネルギーのパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記飛行時間型質量分析計の操作モードを、第二の操作モードに変更するステップと、
前記第二の操作モードのために、前記第一の電極に印加される電位を変化させることによって、ｚ方向の時間集束面の位置を選択するステップと、
前記第二の操作モードのために、前記第二の電極に印加される電位を変化させることによって、実質的にｚ方向に垂直な方向にイオンを集束するステップと
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記試料支持部の表面上に配置される試料を提供するステップと、
前記試料支持部表面の法線から１度以下の範囲内の照射角度で、前記試料にエネルギーのパルスを照射することにより、マトリックス支援レーザー脱離／イオン化によって試料イオンを形成するステップと、
所定時間において前記試料支持部表面と前記第一の電極との間に電位差を印加することによって、実質的に前記試料支持部の法線方向に試料イオンを抽出するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一のイオン光軸が、前記エネルギーのパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１９に記載の方法。
【請求項１】
試料表面を有する試料支持部と、
前記試料支持部から間隔があけられた第一の電極と、
前記第一の電極から、前記試料支持部ホルダーと反対方向に間隔があけられた第二の電極と、
前記第二の電極から、前記第一の電極と反対方向に間隔があけられた第三の電極と、
前記試料支持部と、前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とに電気的に結合された電源と
を備える、質量分析計のためのイオン源であって、
前記電源は、
第一の電位を前記試料表面に印加し、第二の電位を前記第一の電極と前記第二の電極とのうちの少なくとも１つに印加して、試料イオンを形成するためのエネルギーのパルスを前記試料表面上の試料に当てるよりも実質的に前である第一の所定時間に、非抽出電場であって、試料イオンを前記試料表面から離れる方向に実質的に加速しない非抽出電場を確立することと、
前記試料表面と前記第一の電極とのうちの少なくとも１つの電位を変更することにより、前記第一の所定時間の後である第二の所定時間に、第一の抽出電界であって、試料イオンを前記試料表面から離れる第一の方向に加速する第一の抽出電界を確立することと、
第三の電位を前記第二の電極に印加することにより、試料イオンを実質的に前記第一の方向に抽出する第二の抽出電界を確立することと
を実行するように構成されている、イオン源。
【請求項２】
第一のイオン光軸が、前記第一の電極における開口の中心と前記第二の電極における開口の中心との間の線によって規定され、前記第一のイオン光軸は、前記試料表面の法線から５度以下の角度内で前記試料表面と交差する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記第一のイオン光軸が、前記試料表面の法線から１度以下の角度内で前記試料表面と交差する、請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記電源が２つ以上の電力供給を備え、前記２つ以上の電力供給のうちのそれぞれは、前記試料表面、前記第一の電極、前記第二の電極、前記第三の電極のうちの２つ以上と、あるいは互いに電気的に結合される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
光学システムは、エネルギーのパルスが前記試料表面の法線から１度以下の角度内で前記試料表面上の試料に当たるように、前記エネルギーのパルスを前記試料表面上の試料に照射するよう構成される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記第一の方向が、実質的に前記試料表面の法線であり、前記エネルギーのパルスが、前記第一の方向と実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記エネルギーのパルスが干渉性電磁放射を備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とのうちの１つ以上に接続されたヒーターシステムと、
実質的に、前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とのうちの１つ以上の周囲に配置される温度制御された表面と
をさらに備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記第三の電極から、前記第二の電極と反対の方向に間隔があけられたイオン偏向板であって、試料イオンを第二の方向に偏向させるよう構成されるイオン偏向板をさらに備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記イオン偏向板に接続されたヒーターシステムを備える、請求項９に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記イオン源が、前記イオン偏向板から、前記第三の電極と反対の方向に間隔があけられた第四の電極であって、前記第二の方向に移動する試料イオンを受けるよう位置付けられる第四の電極をさらに備える、請求項９に記載のイオン源。
【請求項１２】
前記第四の電極は、前記試料支持部から前記第一の方向に移動する中性分子が、実質的に前記第四の電極に衝突しないように、位置付けられる、請求項１１に記載のイオン源。
【請求項１３】
前記第一の電極と、前記第二の電極と、前記第三の電極とが、イオンビームを形成するための前記試料イオンを抽出するように配置され、照射角度および第一の方向は、実質的に前記イオンビームの中心における、前記試料イオンの第三の電極からの出口での軌跡の角度が、前記試料イオンの質量と実質的に無関係である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１４】
前記非抽出電場が、遅延電場であって、前記試料表面から離れる方向に、前記試料イオンの動作を遅延させる遅延電場を含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１５】
２つ以上の操作モードを有する飛行時間型質量分析計の操作方法であって、前記飛行時間型質量分析計は、試料表面を有する試料支持部と、前記試料支持部から間隔があけられた第一の電極と、前記第一の電極から、前記試料支持部ホルダーと反対の方向に間隔があけられた第二の電極と、前記第二の電極から、前記第一の電極と反対の方向に間隔があけられた第三の電極とを有するイオン源を備え、前記方法は、
前記試料表面と前記第三の電極との電位差を選択することによって、イオンエネルギーを確立するステップと、
第一の操作モードのために、第一の電位を前記試料表面に印加し、第二の電位を前記第一の電極に印加することによって、ｚ方向の時間集束面の位置を選択するステップと、
前記第一の操作モードのために、第三の電位を前記第二の電極に印加することによって、実質的に前記ｚ方向に垂直な方向にイオンを集束するステップと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記試料支持部の表面上に配置される試料を提供するステップと、
前記試料支持部表面の法線から１度以下の範囲内の照射角度で、前記試料にエネルギーのパルスを照射することにより、マトリックス支援レーザー脱離／イオン化によって試料イオンを形成するステップと、
所定時間において前記試料支持部表面と前記第一の電極との間に電位差を印加することによって、実質的に前記試料支持部の法線方向に、第一のイオン光軸に沿って、試料イオンを抽出するステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一のイオン光軸が、前記エネルギーのパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記飛行時間型質量分析計の操作モードを、第二の操作モードに変更するステップと、
前記第二の操作モードのために、前記第一の電極に印加される電位を変化させることによって、ｚ方向の時間集束面の位置を選択するステップと、
前記第二の操作モードのために、前記第二の電極に印加される電位を変化させることによって、実質的にｚ方向に垂直な方向にイオンを集束するステップと
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記試料支持部の表面上に配置される試料を提供するステップと、
前記試料支持部表面の法線から１度以下の範囲内の照射角度で、前記試料にエネルギーのパルスを照射することにより、マトリックス支援レーザー脱離／イオン化によって試料イオンを形成するステップと、
所定時間において前記試料支持部表面と前記第一の電極との間に電位差を印加することによって、実質的に前記試料支持部の法線方向に試料イオンを抽出するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一のイオン光軸が、前記エネルギーのパルスと実質的に同軸で、実質的に一致する、請求項１９に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００８−５３０５５７（Ｐ２００８−５３０５５７Ａ）
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５５２２２（Ｐ２００７−５５５２２２）
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００４６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８６５８５
【国際公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（５０５１２３６９７）アプレラ コーポレイション (21)
【出願人】（５０６１８３１３３）エムディーエス インコーポレーテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００４６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８６５８５
【国際公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（５０５１２３６９７）アプレラ コーポレイション (21)
【出願人】（５０６１８３１３３）エムディーエス インコーポレーテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
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