(57)【要約】【課題】表面支援レーザー脱離イオン化法による分析結果の再現性を高める。【解決手段】表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１は、表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域３に、ナノサイズの複数のピラーが配列されたナノピラー構造体８４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域に、ナノサイズの複数のピラーが配列されたナノピラー構造体を備える、ことを特徴とする表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板。
【請求項２】
前記ナノピラー構造体のピラー間距離が異なる複数の支持領域を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板。
【請求項３】
前記複数の支持領域は、前記ピラー間距離が徐々に変化するように列を成している、ことを特徴とする請求項２に記載の表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板。
【請求項４】
表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域に、ナノサイズの複数のピラーが配列されたナノピラー構造体を備える、表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法であって、
前記支持領域となる領域に、金属核をたんぱく質に内包したフェリチンを二次元配置し、次に、前記たんぱく質を除去して前記金属核を残した後、前記金属核をマスクとして前記領域を中性粒子ビームエッチングすることにより、前記ナノピラー構造体を形成する、ことを特徴とする表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板、表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザーを照射して試料をイオン化させ、試料の質量分析等を行うレーザー脱離イオン化法を用いた分析手法が知られている。この手法においては、試料の脱離・イオン化を促すために、レーザーエネルギーを熱に変える有機化合物を試料と混合させる場合が多い。この有機化合物は、一般にマトリックスと称される。このようなマトリックスを使用したレーザー脱離イオン化法は、ＭＡＬＤＩ法（マトリックス支援レーザー脱離イオン化法）と称される。
【０００３】
しかし、マトリックスを試料と混合すると、試料だけでなく、レーザーエネルギーを受けたマトリックス分子も脱離・イオン化する。そうすると、試料の分析結果に、マトリックス分子の成分がノイズとして複数現れ、試料の分析が必ずしも容易ではなくなってしまう。
【０００４】
このため、下記非特許文献１では、特殊なイオン化支援基板を用いて、マトリックス由来のノイズが発生しないようにしている。このイオン化支援基板は、ナノサイズの複数のポーラスを有しており、このポーラスの毛細管現象を利用して試料成分を基板表面まで上昇させる。そして、この上昇した試料成分にレーザーを照射することで、ポーラスの微細凹凸構造の効果により、試料成分を脱離・イオン化する。このように、マトリックスを使用せずに、試料の脱離・イオン化を行うレーザー脱離イオン化法は、ＳＡＬＤＩ法（表面支援レーザー脱離イオン化法）と称される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】浜松ホトニクス株式会社、゛イオン化支援基板 DIUTHAME″、[online]、平成３０年５月、［平成３０年１２月２１日検索］、インターネット<URL https://www.hamamatsu.com/sp/etd/mktg-LP/201805_diuthame/PDF/DIUTHAME_TPMZ1028J.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、試料成分の脱離・イオン化を促すポーラスの微細凹凸構造は、ポーラスシリコンなどによって形成されている。ポーラスシリコンは、例えば、電解エッチングなどにより形成され、一つ一つのポーラスの大きさ・形状にバラツキがある。このため、試料成分の脱離・イオン化が均一に発生しない可能性があり、試料の分析結果の再現性に関して課題が残っている。
【０００７】
本発明は、上記課題点に鑑みてなされたものであり、表面支援レーザー脱離イオン化法による分析結果の再現性を高めることができる表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板、表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の一態様に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板は、表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域に、ナノサイズの複数のピラーが配列されたナノピラー構造体を備える。
（２）上記（１）に記載された表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板であって、前記ナノピラー構造体のピラー間距離が異なる複数の支持領域を有してもよい。
（３）上記（２）に記載された表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板であって、前記複数の支持領域は、前記ピラー間距離が徐々に変化するように列を成していてもよい。
【０００９】
（４）本発明の一態様に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法は、表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域に、ナノサイズの複数のピラーが配列されたナノピラー構造体を備える、表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法であって、前記支持領域となる領域に、金属核をたんぱく質に内包したフェリチンを二次元配置し、次に、前記たんぱく質を除去して前記金属核を残した後、前記金属核をマスクとして前記領域を中性粒子ビームエッチングすることにより、前記ナノピラー構造体を形成する。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明の態様によれば、表面支援レーザー脱離イオン化法による分析結果の再現性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の平面図である。
【図２】図１に示す領域Ａの拡大断面図である。
【図３】一実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の製造方法の一例を示す工程図である。
【図４】一実施形態に係るナノピラー構造体の形成工程で用いた中性粒子ビームエッチング装置の構成図である。
【図５】（ａ）一実施形態に係るナノピラー構造体を用いたＳＡＬＤＩ法の模式図、（ｂ）比較例として従来のナノ粒子を用いたＳＡＬＤＩ法の模式図である。
【図６】（ａ）一実施形態に係るナノピラー構造体を用いたＳＡＬＤＩ法の分析結果を示すイメージ図、（ｂ）比較例として従来のナノ粒子を用いたＳＡＬＤＩ法の分析結果を示すイメージ図である。
【図７】他の実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１３】
図１は、一実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１の平面図である。
図１に示す表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１は、表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料（図１において不図示）を支持する試料基板２を有する。
【００１４】
試料基板２は、矩形板状に形成されている。この試料基板２の上面には、試料を支持する支持領域３が設けられている。支持領域３は、平面視で円形である。なお、支持領域３の形状は、円形に限られるものではない。この支持領域３は、以下説明するナノピラー構造体８４を備えている。
【００１５】
図２は、図１に示す領域Ａの拡大断面図である。
ナノピラー構造体８４は、図２に示すように、ナノサイズのピラー８５（柱状体）を複数有している。ピラー８５は、ベース８６の表面８７において、二次元配置されている。なお、ピラー８５が立設するベース８６は、試料基板２と一体であってもよいし、試料基板２と別体であってもよい。ベース８６が試料基板２と別体である場合、ベース８６は、試料基板２の上面に貼り付け可能なシート体であるとよい。
【００１６】
ピラー８５は、ナノサイズの略円柱状ないし略円錐台状に形成されている。すなわち、ナノピラー構造体８４とは、ナノメータオーダーの大きさからなる断面を備えた円柱ないし円錐台の柱状体が、ベース８６の表面８７に亘って複数突設された構造を意味する。
【００１７】
以下、ピラー８５の寸法を例示すると、ピラー８５の直径Ｄは、１００ｎｍ（ナノメートル）以下であって、好ましくは、４ｎｍ〜２０ｎｍ程である。また、ピラー８５の高さＨは、１００ｎｍ以下であって、好ましくは、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程である。また、隣り合うピラー８５のピラー間距離Ｓは、１００ｎｍ以下であって、好ましくは、６ｎｍ〜５０ｎｍ程である。
【００１８】
このようなピラー８５は、Ｓｉ（シリコン）やカーボン（グラフェン）など、無機／有機いずれの基材（ベース８６）に対しても形成可能である。例えば、ベース８６が有機基材の場合、表面８７にＳｉをスパッタしてから、以下の説明（Ｓｉウェハ基材の場合）と同様にして製造することができる。
【００１９】
図３は、一実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１の製造方法の一例を示す工程図である。なお、以下の説明では、ナノピラー構造体８４の形成工程について詳述する。
本手法では、先ず、図３（ａ）に示すように、ベース８６として、無機基材のＳｉウェハ基材を用意する。なお、ベース８６が有機基材の場合、上述したように有機基材のベース８６の表面８８にＳｉをスパッタするとよい。このようなベース８６を用意したら、ベース８６の表面８８（ピラー８５形成前）に酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、酸化膜を形成したベース８６の表面に、金属核１０１をたんぱく質１０２に内包したフェリチン１００を二次元配置する。フェリチン１００は、リステリアフェリチン、バイオコンジュゲートとも呼ばれている。フェリチン１００は、鉄コアとも呼ばれる酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）からなる金属核１０１が、ポルフィリンという環状の化合物の中心に結合しているヘム基を含むたんぱく質１０２に内包された構造を有する。フェリチン１００は、金属核１０１内に、例えば４５００原子もの鉄イオン（Ｆｅ３＋）を含有しうる物質であり、また、２４個のポリペプチドサブユニットを含む約４８０ｋＤａの複合体たんぱく質である。
【００２１】
次に、図３（ｃ）に示すように、フェリチン１００のたんぱく質１０２を酸素雰囲気中でアニールして除去する。これにより、ベース８６の表面８８の酸化膜上には、酸化鉄コアからなる金属核１０１が残され、金属核１０１が二次元に配列された状態となる。これら金属核１０１が、次の工程のエッチング用マスクとなる。
【００２２】
次に、図３（ｄ）に示すように、金属核１０１をマスクとしたＮＦ３ガス／水素ラジカル処理で、マスクから露出したベース８６の表面８８の酸化膜（ＳｉＯ２）を除去すると共に、さらに金属核１０１とその下の酸化膜をマスクにし、異方性（垂直）の中性粒子ビーム（ＮＢ）エッチングを行う。この工程で、マスクの周囲が表面８７（ピラー８５形成後）までエッチングされることで、マスクの形状がピラー８５としてベース８６に転写される。
【００２３】
最後に、金属核１０１をＨＣｌ（塩酸）のウェットエッチングで除去する。なお、金属核１０１の下の酸化膜は、ＮＦ３処理等で除去することができる。このようにして、図２に示すような、ナノサイズの複数のピラー８５が配列されたナノピラー構造体８４を作製することができる。なお、ここでいう「配列」とは、複数のピラー８５の配置及び形状に規則性がある（ランダムではない）ことを意味するが、作製誤差等に起因する多少の位置ズレ、多少の形状の不均一さは許容する。ちなみに、ピラー間距離Ｓは、図３（ｂ）に示すたんぱく質１０２に適当な分子量のＰＥＧ（ポリエチレングリコール）を装飾することで制御可能である。
【００２４】
図４は、一実施形態に係るナノピラー構造体８４の形成工程で用いた中性粒子ビームエッチング装置２００の構成図である。
図４に示すように中性粒子ビームエッチング装置２００は、ベース８６（基材）を支持する支持台２０１と、ベース８６に中性粒子ビームを照射する中性粒子ビーム照射装置２０２と、を有している。
【００２５】
中性粒子ビーム照射装置２０２は、ビーム生成部２０３と、オリフィス板２０４と、を有する。ビーム生成部２０３では、ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等のガスを導入すると共に、プラズマ化するものである。オリフィス板２０４は、このプラズマ化により発生したイオンを加速すると共に中性化し、その中性化した中性粒子ビームをベース８６に照射するものである。
【００２６】
オリフィス板２０４は、複数の開口部２０４ａを有し、ビーム生成部２０３と支持台２０１との間に配置されている。このオリフィス板２０４は、表面が誘電膜で覆われた電極であり、イオンを加速させて、開口部２０４ａに導く。イオンは、開口部２０４ａの周壁において中性化されるか、開口部２０４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化されるか、あるいは、オリフィス板２０４の誘電膜に帯電した電子と再結合することによって中性化され、中性粒子ビームとなる。
【００２７】
オリフィス板２０４の通過中に中性化された中性粒子ビームは、開口部２０４ａから直進して支持台２０１に載置されたベース８６に照射され、この中性粒子ビームによってベース８６のエッチング処理を行うことが可能となる。オリフィス板２０４は、イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光がベース８６に照射されるのを防止する手段としても機能する。これにより、ベース８６に損傷を与えるような紫外線などの影響を低減することができる。また、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、このように中性化された中性粒子を照射することによりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングが可能となる。
【００２８】
なお、ナノピラー構造体８４の形成工程においては、ベース８６の材質に応じて、上述した手法以外のドライエッチング方法も使用できる。例えば、米国特許第８９０６２４４号明細書に示されたような電子線リソグラフィ技術を用いてドライエッチングを行う方法などを用いてもよい。あるいは、例えば、特表２０１５−５３１８１６号公報や特開２０１８−１６１７１４号公報に示されたような、ベース層上にナノピラーが配列しているハイブリッドナノ構造体を製造する方法などを用いてナノピラー構造体８４を形成してもよい。
【００２９】
図５は、（ａ）一実施形態に係るナノピラー構造体８４を用いたＳＡＬＤＩ法の模式図、（ｂ）比較例として従来のナノ粒子２３を用いたＳＡＬＤＩ法の模式図である。図６は、（ａ）一実施形態に係るナノピラー構造体８４を用いたＳＡＬＤＩ法の分析結果を示すイメージ図、（ｂ）比較例として従来のナノ粒子２３を用いたＳＡＬＤＩ法の分析結果を示すイメージ図である。
【００３０】
先ず、図５（ｂ）に示す従来のナノ粒子２３を用いたＳＡＬＤＩ法について説明する。
従来手法では、ベース２０の表面２１に、ナノ粒子２３によるナノ構造体が形成されている。このナノ構造体は、例えば、ゲルマニウムナノドットをベース２０の表面２１（Ｓｉ表面）に成長させる手法や、ナノ粒子２３を分散させた分散液をベース２０の表面２１に塗布する手法などによって形成することができる。
【００３１】
このようなナノ粒子２３によるナノ構造体の微小凹凸構造は、規則性を有していない。このため、図５（ｂ）に示すように、ナノ構造体上の試料１０にレーザーＬを照射しても、場所によってレーザーＬの当たり具合などが異なり、試料１０の脱離・イオン化が均一に発生しない可能性がある。このため、図６（ｂ）に示すように、例えば、試料１０の主成分を示すピークＰ１が低下したり、ノイズとして別のピークＰ２が現れる可能性がある。
【００３２】
一方、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、ナノサイズの複数のピラー８５が配列されたナノピラー構造体８４を備えている。ナノピラー構造体８４の微小凹凸構造は、上述した中性粒子ビームエッチングなどによって、形状・寸法を制御可能であり、規則性を有している。このため、ナノピラー構造体８４上の試料１０にレーザーＬを照射すると、試料１０の脱離・イオン化を均一に促すことができる。つまり、ＳＡＬＤＩ法による分析結果の再現性を高めることができる。したがって、図６（ａ）に示すように、例えば、ノイズとしてのピークＰ２を抑えたり、試料１０の主成分を示すピークＰ１を高く、判別し易くすることができる。
【００３３】
このように、上述の本実施形態によれば、表面支援レーザー脱離イオン化法により分析する試料を支持する支持領域３に、ナノサイズの複数のピラー８５が規則的に配列されたナノピラー構造体８４を備える、という構成を採用することによって、ＳＡＬＤＩ法による分析結果の再現性を高めることができる表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１が得られる。
【００３４】
また、本実施形態では、支持領域３となる領域に、図３に示すように、金属核１０１をたんぱく質１０２に内包したフェリチン１００を二次元配置し、次に、たんぱく質１０２を除去して金属核１０１を残した後、金属核１０１をマスクとして領域を中性粒子ビームエッチングすることにより、ナノピラー構造体８４を形成する、という手法を採用することによって、ナノサイズの複数のピラー８５が規則的に配列されたナノピラー構造体８４を備える表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１を製造することができる。
【００３５】
図７は、他の実施形態に係る表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１の平面図である。
図７に示す表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板１は、ナノピラー構造体８４のピラー間距離Ｓ（図２参照）が異なる複数の支持領域３を有している。
【００３６】
複数の支持領域３は、ピラー間距離Ｓが徐々に変化するように列を成している。図７に示す例では、紙面左側の端に配置されたナノピラー構造体８４Ａのピラー間距離Ｓが最も広く、ナノピラー構造体８４Ａから紙面右側に向かうに従って、ナノピラー構造体８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄの順にピラー間距離Ｓが徐々に狭くなっている。このような配列によれば、肉眼で目視できないナノサイズの構造体であっても、どの支持領域３にどのようなナノピラー構造体８４が設けられているか確認（推測）し易くなる。
【００３７】
ＳＡＬＤＩ法では、試料の性質や大きさ等に応じて、試料の脱離・イオン化を促す最適な微小凹凸構造の条件を導くために手間がかかっていたが、上記構成によれば、各ナノピラー構造体８４Ａ〜８４Ｄに試料を支持させ、異なる条件でまとめて分析することが可能である。このため、最適な分析結果が、ナノピラー構造体８４Ａ〜８４Ｄのいずれか一つにおいて出れば分析が完了する。つまり、より少ないサンプルで分析できるメリットがある。なお、ピラー間距離Ｓの異なる各ナノピラー構造体８４Ａ〜８４Ｄは、上述したように、図３（ｂ）に示すたんぱく質１０２に適当な分子量のＰＥＧ（ポリエチレングリコール）を装飾することで容易に形成可能である。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【符号の説明】
【００３９】
１  表面支援レーザー脱離イオン化法分析用基板
２  試料基板
３  支持領域
１０  試料
２０  ベース
２１  表面
２３  ナノ粒子
８４  ナノピラー構造体
８４Ａ  ナノピラー構造体
８４Ｂ  ナノピラー構造体
８４Ｃ  ナノピラー構造体
８４Ｄ  ナノピラー構造体
８４Ｄ  ナノピラー構造体
８５  ピラー
８６  ベース
８７  表面
８８  表面
１００  フェリチン
１０１  金属核
１０２  たんぱく質
２００  中性粒子ビームエッチング装置
２０１  支持台
２０２  中性粒子ビーム照射装置
２０３  ビーム生成部
２０４  オリフィス板
２０４ａ  開口部
Ｌ  レーザー
Ｓ  ピラー間距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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