(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点から所定の遅延時間が経過した時点で試料表面と前記引き出し電極との間の空間におけるイオンの空間分布が、質量電荷比が小さなイオンほど該引き出し電極に近い位置に存在するものとなるように、イオン発生開始時点から前記所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料表面から前記引出し電極に向けてイオンを質量電荷比に応じて移動させる電場を形成するべく、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、前記所定の遅延時間及び前記所定距離に応じた第１の電位差だけ高く保ち、前記所定の遅延時間が経過した時点及びそれ以降には、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間にあるイオンが一斉に加速されて該引出し電極を通り過ぎる電場が形成されるように、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、第１の電位差より大きな第２の電位差だけ高く保つように、前記試料保持部及び前記引出し電極の電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２】
試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点以降に、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間においてイオンを該試料保持部から該引出し電極に向かう方向に引き出す電位勾配の傾斜が、所定の同一又は異なる時間が経過する毎に段階的に大きくなる電場が形成されるように、前記引出し電極の電位に対する前記試料保持部の相対的な電位を段階的に増加させる電位設定手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の飛行時間型質量分析装置であって、試料に対するイオン化は、ＭＡＬＤＩ法、ＬＤＩ法、ＤＥＳＩ法、ＰＤＩ法、ＳＩＭＳ法のいずれかのイオン化法により行われるものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は飛行時間型質量分析装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置における、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法などのイオン化法を用いたイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析装置（以下「ＴＯＦＭＳ」と称す）は一般に、電場により加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入して自由飛行させ、検出器に到達するまでの飛行時間に応じて各種イオンを質量電荷比（m/z）毎に分離するものである。ＴＯＦＭＳにおいて質量分解能を高めるには飛行距離を長くする必要があることから、単純にイオンを直線的に飛行させるリニア型の構成のほかに、電場や磁場を利用してイオンを折返し飛行させるリフレクトロン型の構成や、略同一の閉じた軌道を複数回周回させる周回型の構成も知られている。
【０００３】
ＴＯＦＭＳのイオン源としては、マトリクス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ＝Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization）法によるＭＡＬＤＩイオン源が広く利用されている。ＭＡＬＤＩ法では、例えば測定対象物質の溶液をマトリクス溶液と混合し、さらに必要であれば別のイオン化助剤を混合した上で試料プレート上に塗布し、溶媒を除去することにより試料を調製する。こうして調製された試料は測定対象物質が多量のマトリクスとほぼ均一に混合された状態にある。この試料にレーザ光を照射すると、マトリクスがレーザ光のエネルギを吸収して熱エネルギに変換する。このときにマトリクスの一部が急速に加熱され、測定対象物質とともに気化し、その過程で測定対象物質がイオン化される。
【０００４】
ＭＡＬＤＩイオン源を用いたＴＯＦＭＳでは、上記のようにレーザ光照射によって試料から発生した各種イオンが電場の作用により試料近傍から引き出され、加速されて飛行空間に送り込まれる。高い質量分解能を得るためには、イオンが飛行空間に導入される際に同一種の（同一の質量電荷比を有する）イオンの初期速度が揃っている必要がある。しかしながら、ＭＡＬＤＩイオン源では一般に、イオン発生時点でイオンが持つ初期エネルギのばらつきが大きく、そのために初期速度のばらつきが大きくなって時間収束性が悪化する。そこで、この問題を回避するために、遅延引出し法と呼ばれる手法が従来一般に利用されている（特許文献１、特許文献２など参照）。
【０００５】
図９は遅延引出し法によるイオン引出し動作を説明するための図である。図９（ａ）に示すように、マトリクスが混合された試料２は導電性の試料プレート１上に保持されており、該試料２にイオン化のためのレーザ光が照射される。試料プレート１に対向して配置された引出し電極３及びベース電極４ｃに印加された電圧により形成される電場の作用によって、試料２近傍からイオンが引き出されるとともに加速されて、図示しない飛行空間に送られる。
【０００６】
詳しく述べると、試料２にレーザ光を照射する時点では、試料プレート１と引出し電極３とには同一電圧ＶEが印加され、ベース電極４ｃには所定のベース電圧ＶBが印加される。一般的にはＶB＝０（つまり接地電位）であるので、ここではＶB＝０であるとする。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図９（ｂ）に示すようになる。即ち、試料プレート１と引出し電極３との間の引出し領域には電位勾配がない（実質的に電場がない）ため、レーザ光照射により試料２から発生したイオンは加速されない。このため、イオン発生時に大きな初期エネルギを持つイオンほど試料２から遠ざかるから、イオン発生から所定の時間が経過した時点では、質量電荷比に依らず初期エネルギが大きなイオンほど引出し電極３に近い位置に存在する。
【０００７】
レーザ光照射から一定の遅延時間（通常数十〜数百nsec程度）だけ経過したあとに、試料プレート１への印加電圧はＶEからＶSにステップ状に増加される。これにより、図９（ｃ）に示すように、試料プレート１から引出し電極３に向かって大きな下向き傾斜の電位勾配を有する電場が形成される。この電場によって、引出し領域に存在する各種イオンは一斉に加速される。このとき、試料プレート１に近い位置にあるイオンほど、つまり初期エネルギが小さなイオンほど加速電圧は高くなるから、与えられる運動エネルギは大きくなる。したがって、同種のイオンであっても、イオン発生時の初期エネルギが小さなものほど大きな速度をもって飛行空間に送り込まれるので、飛行中に先行している初期エネルギが相対的に大きな同種のイオンに徐々に追いつき、最終的にほぼ同時に検出器に到達する。このようにして同種イオンにおける初期エネルギのばらつきの影響が排除され、高い時間収束性を達成することができる。
【０００８】
しかしながら、こうした従来の遅延引出し法では次のような問題がある。上記のような初期エネルギのばらつきの補正は、各イオンが持つポテンシャルエネルギの変化を通した運動エネルギの補正により達成される。レーザ光照射により試料２から発生したイオンの初速（又は初期エネルギ）の平均値は、質量電荷比に依存することなくほぼ一定である。そのため、補正に必要なエネルギは質量電荷比に比例することになり、補正に必要な電圧値（図９（ｃ）におけるＶEとの電位差ΔＶ）も質量電荷比に依存する。一方、イオンは試料２の表面付近の非常に小さな空間内で発生し、遅延引出し実行時において電圧が増加されるまでの自由飛行期間中には該空間に電場が作用しないため、一定遅延時間経過後に加速電圧を印加する際のイオンの空間分布は質量電荷比とは無関係である。
【０００９】
即ち、質量分解能を高めるべく同種イオンの時間収束性をできるだけ高めるには、つまり、初期エネルギのばらつき補正を適切に行うには、質量電荷比毎にイオンに適切な加速電圧（上記電位差ΔＶ）を印加する必要がある。しかしながら、上述したように加速電圧印加時におけるイオンの空間分布は質量電荷比に依らないため、加速電圧を或る値に設定したときに或る質量電荷比を持つイオン種に対しては適切な補正が行えるのものの、別の質量電荷比を持つイオン種に対しては十分な補正が行えないことがある。このため、従来の遅延引出し法によって質量分解能が改善される質量電荷比範囲はかなり限られたものとなり、測定対象とする広い質量電荷比範囲に亘る質量分解能を改善することが難しいという問題がある。
【００１０】
なお、ここではイオン源としてＭＡＬＤＩイオン源を例に挙げているが、ＴＯＦＭＳのイオン源として利用される別のイオン化法によるイオン源、例えば、マトリクスを利用しないレーザ脱離イオン化（ＬＤＩ）法、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ＝Secondary Ion Mass Spectrometry）法、脱離エレクトロスプレイイオン化（ＤＥＳＩ＝Desorption Electrospray Ionization）法、プラズマ脱離イオン化法（ＰＤＩ＝Plasma Desorption Ionization）法などでも同様の問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１８５６９７号公報（［０００５］−［０００８］及び図７）
【特許文献２】特開２００９−５２９９４号公報（［０００３］−［０００４］及び図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、遅延引出し法を利用して試料から発生したイオンを引き出して加速するイオン源を備える飛行時間型質量分析装置において、広い質量電荷比範囲に亘ってイオンの初期エネルギのばらつきを適切に補正することにより質量分解能を向上させることが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた第１発明は、試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点から所定の遅延時間が経過した時点で試料表面と前記引き出し電極との間の空間におけるイオンの空間分布が、質量電荷比が小さなイオンほど該引き出し電極に近い位置に存在するものとなるように、イオン発生開始時点から前記所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料表面から前記引出し電極に向けてイオンを質量電荷比に応じて移動させる電場を形成するべく、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、前記所定の遅延時間及び前記所定距離に応じた第１の電位差だけ高く保ち、前記所定の遅延時間が経過した時点及びそれ以降には、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間にあるイオンが一斉に加速されて該引出し電極を通り過ぎる電場が形成されるように、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、第１の電位差より大きな第２の電位差だけ高く保つように、前記試料保持部及び前記引出し電極の電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
ここで、試料からイオンを発生させるためのイオン化法としては、ＭＡＬＤＩ、ＬＤＩなどのレーザ光を利用した方法、ＳＩＭＳなどのイオン線を利用した方法、ＤＥＳＩなどの帯電噴霧流を利用した方法、ＰＤＩなどのプラズマを利用した方法、などが考えられる。これは後述する第２発明でも同様である。
【００１５】
従来の一般的な遅延引出し法では、イオン発生開始時点より所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料保持部と引出し電極とはほぼ同電位に維持され、試料保持部と引出し電極との間の空間には実質的な電場は形成されない。このため、試料から発生したイオンは初期エネルギに応じて自由に拡散する。これに対し、第１発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点において試料保持部と引出し電極との間の空間に、イオンを試料表面から引出し電極の方向に引き出す電場が形成されている。ただし、このときの試料保持部と引出し電極との間の電位差（第１の電位差）は生成された全てのイオンを一斉に且つ大きな加速度でもって加速するほどは大きくなく、その電位差により形成される電場の作用により、各種イオンは緩慢に試料表面から引出し電極に向かって移動する。
【００１６】
一定の電場の下ではイオンの速度はサイズに逆比例するから、小さな（一般的には質量電荷比が小さな）イオンほど引出し電極に近づき、逆に大きなイオンは試料に近い位置に存在する。もちろん、各イオンの初期エネルギは質量電荷比には依存せずばらついており、移動速度はこの初期エネルギの影響も受ける。そのため、所定の遅延時間経過時点で、各イオンは質量電荷比に応じた整然とした分布となるわけではないものの、電場が全くない場合に比べれば、質量電荷比に依存した空間分布となる。つまり、同一の質量電荷比を有するイオンの空間的な拡がりは小さくなる。所定の遅延時間が経過しイオンを一斉に加速させるべく試料保持部と引出し電極との電位差を拡大する際に、同一イオン種は空間的に比較的近い位置に存在するため、ほぼ同程度の加速電圧が与えられる。したがって、各種イオンに対し質量電荷比に応じたより適切な加速電圧を与えることが可能となり、広い質量電荷比範囲に亘って質量分解能を改善することができる。
【００１７】
また、同一質量電荷比を持つイオンの中では、初期エネルギが小さなものほど試料保持部に近い位置にあるため、相対的に大きな加速電圧が加えられることになる。したがって、遅延引出し法による初期エネルギのばらつきの補正効果も十分に得ることができる。
【００１８】
また上記課題を解決するためになされた第２発明は、試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点以降に、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間においてイオンを該試料保持部から該引出し電極に向かう方向に引き出す電位勾配の傾斜が、所定の同一又は異なる時間が経過する毎に段階的に大きくなる電場が形成されるように、前記引出し電極の電位に対する前記試料保持部の相対的な電位を段階的に増加させる電位設定手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１９】
第２発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点における試料保持部の電位と引出し電極の電位とは略同一であってもよいし、或いは、上記第１発明のように試料保持部の電位が引出し電極の電位よりも高く設定されていてもよい。
【００２０】
第２発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点から或る遅延時間が経過した時点で試料保持部の相対的な電位が上がり、電位勾配を持つ電場が試料保持部と引出し電極との間の空間に形成されると、その空間に存在していたイオンは加速されて引出し電極に向かって移動し始める（１回目の加速操作）。このとき、質量電荷比の小さなイオンほど移動し易いから、その直前のイオンの空間分布が質量電荷比に依存しない状態であっても、質量電荷比が小さなイオンのほうが質量電荷比が大きなイオンに比べて早く引出し電極を通過する傾向にある。このため、１回目の加速操作を行った時点から或る遅延時間が経過した時点では、試料保持部と引出し電極との間の空間に残るイオンは質量電荷比が相対的に大きなものの割合が多くなる。
【００２１】
そこで、試料保持部の相対的な電位がさらに上げられ電位勾配の傾斜が急になると、残っていた質量電荷比が比較的大きなイオンに追加的に運動エネルギが付与され、これによってそのイオンは加速されて引出し電極に向かって移動する（２回目の加速操作）。この加速操作は２回以上の任意の回数行うことができる。また、加速操作のためには、引出し電極の電位を固定にしたまま試料保持部の電位を上げる、試料保持部の電位を固定したまま引出し電極の電位を下げる、或いは、試料保持部の電位を上げると同時に引出し電極の電位を下げる、のいずれを行ってもよい。
【００２２】
このように段階的に加速電圧を上げていくことにより、第１発明と同様に、各種イオンに対し質量電荷比に応じたより適切な加速電圧を与えることが可能となる。もちろん、この場合にも、同一質量電荷比であっても、イオンが持つ初期エネルギの相違によって加速操作時の位置が異なるから、完全に質量電荷比毎に分離されて加速がなされるわけではないが、従来のように質量電荷比を考慮しない加速を行っている場合に比べれば、明確な質量分解能改善効果が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
第１及び第２発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、ＭＡＬＤＩイオン源等のイオン源において試料から発生したイオンを遅延引出し法により引き出し加速する際に、単に初期エネルギや初速のばらつきの補正を行うのみならず、質量電荷比に応じた運動エネルギの変化による補正を行うため、従来の一般的な遅延引出し法と比較し、幅広い質量電荷比範囲に亘って質量分解能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例であるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの概略構成図。
【図２】第１実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの効果を検証するためのシミュレーション結果を示す図。
【図３】第１実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作を説明するための図。
【図４】第１実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作を説明するための図。
【図５】第２実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作を説明するための図。
【図６】第２実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し時の電圧変化を示すタイミング図。
【図７】第２実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの効果を検証するためのシミュレーション結果を示す図。
【図８】第２実施例の変形例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作を説明するための図。
【図９】従来の一般的な遅延引出し動作を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［第１実施例］
本発明の一実施例であるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳについて図１〜図４を参照して説明する。図１はこの実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの概略構成図、図３及び図４はこの実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作を説明するための図である。
【００２６】
本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、試料２を保持する試料プレート１に略直交するイオン光軸Ｃに沿って、引出し電極３、イオン光学系４、飛行空間７、検出器８が配置されている。制御部１１の指示の下に、レーザ照射部５から出射したレーザ光はミラー６で反射され、試料２表面の微小径の領域に照射される。試料プレート１は金属製又は導電ガラス製であり、実際には図示しないステージにより保持され、該ステージを介して電圧が印加されるようになっているが、図１では便宜上、試料プレート１に直接、電圧が印加されるように記載してある。
【００２７】
引出し電圧発生部１２は制御部１１の指示に従って、試料プレート１及び引出し電極３にそれぞれ所定の直流電圧を印加する。イオン光学系４は所定の電位（ＶB）が与えられるベース電極４ｃを含む複数の電極からなり、図示しない電源部からこれら電極に印加される電圧により、イオンの拡がりを抑えイオン光軸Ｃ付近にイオンを収束させる。図９と同様に、この例でもベース電極４ｃの電位（ＶB）は０であるものとする。検出器８は例えば光電子増倍管であり、飛行空間７を通過する過程で質量電荷比に応じて時間的に分離されて順次到達するイオンを検出し、イオン量に応じた検出信号を信号処理部１０に送る。信号処理部１０は検出信号に基づいて飛行時間とイオン強度との関係を示す飛行時間スペクトルを作成し、予め求めた校正情報に基づいて飛行時間を質量電荷比に換算することにより質量スペクトルを作成する。
【００２８】
次に、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳに特徴的な遅延引出し動作を含む分析動作を説明する。
【００２９】
制御部１１からレーザ照射部５に開始信号が送られると、それに対応してレーザ照射部５は所定パルス幅のレーザ光を出射する。このレーザ光はミラー６で反射されて試料プレート１上の試料２に照射される。一方、レーザ光が出射されるとそのごく一部のレーザ光をモニタして得られた信号がレーザ照射部５から制御部１１にフィードバックされ、それによって制御部１１はレーザ出射を認識する。そして、制御部１１はその時点がイオン発生開始時点であるとみなして内部タイマの計時を開始する。
【００３０】
また制御部１１は、レーザ光が照射される以前の適宜に時点で、引出し電極３への印加電圧ＶeをＶE、試料プレート１への印加電圧ＶsをＶEよりも高いＶSとするように引出し電圧発生部１２を制御する。従来の一般的な遅延引出し法であればＶS＝ＶEであるのに対し、本実施例ではＶS＞ＶEである。ただし、このときの電位差ＶS-ＶEは後述するイオン加速時の電位差Ｖ0−ＶEに比べると遙かに小さい。その理由は後述する。ベース電極４ｃの電位ＶBは０であるから、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図３（ｂ）に示す状態である。即ち、試料プレート１と引出し電極３との間の空間（引出し領域）には、試料プレート１から引出し電極３に向かって緩やかに下傾する電位勾配を有する電場が形成され、引出し電極３とベース電極４ｃとの間の空間（加速領域）には引出し電極３からベース電極４ｃに向かって急峻に下傾する電位勾配を有する電場が形成されている。
【００３１】
試料２にレーザ光が照射されると、試料２中のマトリクスと目的試料とが共に気化し、目的試料がイオン化される。試料２表面近傍の狭い空間で発生した各種イオンには上述した電場が作用するから、イオンは引出し電極３に向かう方向（図３（ａ）で右方向）に誘引される。このとき電場により与えられるポテンシャルエネルギに由来するイオンの速度は質量電荷比が小さいほど大きい。そのため、質量電荷比の小さなイオンほど引出し電極３に近づくことになる。
【００３２】
もちろん、各イオンは発生時点で質量電荷比に依存しない初期エネルギを有しており、それによる速度成分もあるため、単純に質量電荷比の順に並ぶわけではない。しかしながら、例えばイオン発生時に同一の初期エネルギが付与された異なる質量電荷比を有するイオンをみると、質量電荷比が小さいイオンがより早く引出し電極３に近づくから、全体的には図４（ａ）に示すように、質量電荷比の小さな（図４では小さなサイズで描かれた）イオンが先行し、質量電荷比の大きな（図４では大きなサイズで描かれた）イオンは試料２表面近くに残る。そして、ほぼ同一の質量電荷比を有するイオンの集まりを子細にみると、大きな初期エネルギを持つイオンほど先行して引出し電極３に近い位置に存在する。図４（ｂ）は従来の遅延引出し法においてイオン発生時点から所定時間経過後のイオンの分布を模式的に示した図である。この場合には、試料２付近に電場が存在しないため、各イオンは初期エネルギに応じた速度で移動する。初期エネルギは質量電荷比に関係なくばらつくので、イオンの空間分布は質量電荷比に依存しない。
【００３３】
図３（ｂ）から明らかなように、イオン発生時点において引出し領域中の電位勾配の傾斜が急すぎると、各イオンは発生直後に加速されて短時間で引出し電極３を通り過ぎてしまう。即ち、これは実質的な遅延引出しにはならない。そこで、試料２表面付近から引き出されたイオンが後述する遅延時間内に引出し電極３を通りすぎてしまわない程度の運動エネルギをイオンに付与するように、電位勾配の傾斜を緩くしておく必要がある。つまりは、図３（ｂ）における電位差ＶS−ＶEを小さくしておくことが必要である。一方で、電位差ＶS−ＶEが小さすぎ電位勾配の傾斜が緩すぎると、その電場によりイオンが受ける運動エネルギよりもイオンが持つ初期エネルギの影響のほうが大きく、イオンが質量電荷比に応じて分離されない。こうしたことから、試料プレート１と引出し電極３との間の距離、遅延時間などの条件に基づいて、引出し領域中で遅延時間内に各種イオンが適度に質量電荷比に応じて分離されるように、電位差ＶS−ＶEを適切に定めておくことが望ましい。この適切な電位差は例えば後述するシミュレーション計算や実装置による実験で決めることができる。
【００３４】
制御部１１は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間ｔが経過したときに、試料プレート１への印加電圧ＶsをそれまでのＶSからをＶ0にステップ状に上昇させるように引出し電圧発生部１２を制御する。一方、引出し電極３への印加電圧ＶEはそれ以前と同一電圧値に維持される。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図３（ｃ）に示す状態に変化する。即ち、引出し領域には、試料プレート１から引出し電極３に向かって急峻に下傾する電位勾配を有する電場が形成される。
【００３５】
その結果、その直前に引出し領域中に存在しているイオンに対し最大Ｖ0−ＶEなる加速電圧が一斉に与えられ、イオンは引出し電極３に向かって引き出される。さらに、イオンが加速領域に突入した後には、引出し電極３の電位とベース電極４ｃの電位ＶB（＝０）との電位差ＶE−ＶB（＝ＶE）により一層加速されて飛行空間７に送り出される。飛行空間７に導入されたイオンは飛行中に質量電荷比に応じて分離され、検出器８に到達する。引出し領域において試料プレート１に近い位置に存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるため、大きな速度でもって飛行空間７に導入される。つまり、質量電荷比が大きなイオンほど大きな速度を有し、同じ質量電荷比であれば初期エネルギが小さなイオンほど大きな速度を有する。
【００３６】
引出し領域中で試料プレート１に近い位置に存在した或る質量電荷比のイオンは、同じ質量電荷比であって引出し電極３により近い位置に存在したイオンよりも時間的に後から飛行空間７に導入される。しかしながら、飛行速度はより大きいので、先行しているイオンに飛行中に徐々に追いつき、ほぼ同一時刻に検出器８に到達することができる。即ち、同一質量電荷比のイオンのエネルギ収束が行える。
【００３７】
一方、質量電荷比が大きなイオンには質量電荷比が小さなイオンに比べて相対的に高い加速エネルギが与えられる。したがって、それぞれの質量電荷比のイオンに対して適切なポテンシャルエネルギの変化を与えることができるので、質量電荷比による初速のばらつきの補正効果の差異が軽減できる。これにより、特定の質量電荷比に片寄らず、幅広い質量電荷比範囲に亘って初速のばらつきを軽減し、高い質量分解能を達成することができる。
【００３８】
次に、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作の効果を検証するためのシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、図１に示したようなイオン光軸Ｃを中心とする軸対称のイオン輸送系を想定し、試料プレート１と引出し電極３との間の距離を約３．５[mm]、飛行空間７における自由飛行軌道の距離を約１０００[mm]とした。イオン光学系４ではイオンの加速と軌道の収束とを行い、イオンが飛行空間７に導入されるまでに約１８[keV]の加速エネルギを与えるものとした。遅延引き出しのための電圧制御は、引出し電極３への印加電圧を一定とし、試料プレート１に印加する電圧をレーザ光照射時から所定の遅延時間ｔが経過した時点でステップ状に増加させるようにした。
【００３９】
上述した本実施例における遅延引出し法（本発明法）の実行条件は、ＶS＝１８０００[Ｖ]、ＶE＝１７７３０[Ｖ]、Ｖ0−ＶS＝８３０[Ｖ]、ＶB＝０、ｔ＝９００[ns]、である。これに対し従来の遅延引出し法（従来法）の実行条件は、ＶS＝１８０００[Ｖ]、ＶE＝１８１６０[Ｖ]、Ｖ0−ＶS＝９５０[Ｖ]、ＶB＝０、ｔ＝９００[ns]、である。これら実行条件は後述するようにシミュレーションの結果が良好になるように選ばれたものである。なお、従来法において試料プレート１の印加電圧ＶSよりも引出し電極３への印加電圧ＶEのほうが若干（１６０[Ｖ]）高くなっているが、これはイオン光学系４による電場の影響を打ち消すためであり、これによって試料プレート１近傍でのイオン光軸Ｃに沿った電位勾配はほぼ０になり、引出し領域に電場が存在しない状態とみなすことができる。
【００４０】
上記実行条件でもって５００〜５０００[Da]の質量電荷比範囲で２５０[Da]ずつ質量電荷比を変化させ、検出器８へのイオンの到達時間について数値計算を行い、その分解能を調べた。この計算上でのイオンの初速の中心値は６００[m/s]、初速のばらつきの半値幅は３００[m/s]、その速度方向は、対称軸（イオン光軸Ｃ）に対し３０°の角度を持つものと仮定した。また、イオンの初期位置はイオン光軸Ｃから０．１[mm]の範囲内の空間にランダムであるものとした。
【００４１】
図２はシミュレーション結果である。従来法ではm/z２０００[Da]で分解能が最大になるように上記実行条件が調整されている。一方、本発明法では、m/z２０００[Da]を含み、分解能が５０００を越える質量電荷比範囲ができるだけ広くなるように上記実行条件が調整されている。この図２から明らかなように、従来法では分解能が５０００を越える質量電荷比範囲は２０００[Da]を中心に１０００[Da]程度の範囲にすぎないのに対し、本発明法では１５００〜５０００[Da]の広い範囲で分解能が５０００を越えている。したがって、本発明法によれば、高い分解能が得られる質量電荷比範囲を従来法に比べて３．５倍に拡大できていることが分かる。
【００４２】
［第２実施例］
本発明の別の実施例（第２実施例）であるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳについて図５〜図７を参照して説明する。この第２実施例の構成自体は第１実施例と同様であるので説明を略す。相違するのは制御部１１の制御シーケンスであり、そのほか、必要に応じて引出し電圧発生部１２の回路構成も変更を要する。
【００４３】
図５及び図６に従って、この第２実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳに特徴的な遅延引出し動作を含む分析動作について、第１実施例と相違する点を中心に説明する。
【００４４】
制御部１１は、レーザ光が照射される以前の適宜に時点で、引出し電極３への印加電圧Ｖe及び試料プレート１への印加電圧Ｖsを共にＶE1とするように引出し電圧発生部１２を制御する。イオン光軸Ｃ上の電位分布は図５（ｂ）に示す状態であり、これは従来の遅延引出し法と同様である。即ち、引出し領域にはイオンを誘引するような実質的な電場は存在しない。試料２にレーザ光が照射され、試料２表面近傍で発生した各種イオンはそれぞれの初期エネルギに基づく初速で移動する。したがって、イオン発生開始時点から所定時間経過後のイオンの空間分布は図４（ｂ）に示すようになり、質量電荷比とは無関係にイオンは分散している。
【００４５】
制御部１１は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間ｔ1が経過したときに、引出し電極３への印加電圧ＶeをそれまでのＶE1からＶE2にステップ状に下降させるように引出し電圧発生部１２を制御する。このとき、試料プレートへの印加電圧ＶSはそれ以前と同一電圧値ＶE1に維持される。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図５（ｃ）に示す状態に変化する。即ち、引出し領域には、試料プレート１から引出し電極３に向かって緩やかに下傾する電位勾配を有する電場が形成される。なお、ここでは、試料プレート１の電位を固定して引き出し電極３の電位を下げているが、引き出し電極３の電位を固定して試料プレート１の電位を上げてもよい。
【００４６】
引出し領域中に電位勾配が形成されることにより、イオンは最大ＶE1−ＶE2なる加速電圧によるエネルギを受ける。ただし、このときの加速電圧は比較的低くエネルギは小さいため、イオンの速度は比較的小さい。また、このときのイオンの速度は質量電荷比が大きいほど小さくなるから、同じ位置にある、つまり同じ加速エネルギを受けた異なる質量電荷比のイオンを比べると、質量電荷比が小さなイオンほど大きな速度を持つ。そのため、全体として質量電荷比の小さなイオンほど早く引出し電極３を通過して加速領域に入り、逆に質量電荷比の大きなイオンは引出し領域に留まり易い。このように、引出し領域において質量分離に近い操作が行われる。
【００４７】
制御部１１は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間ｔ2（ｔ2＞ｔ1）が経過したときに、今度は引出し電極３への印加電圧ＶeをＶE2に維持したまま、試料プレート１への印加電圧ＶsをＶE1からＶ0にステップ状に上昇させるように引出し電圧発生部１２を制御する。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図５（ｄ）に示す状態に変化する。即ち、試料プレート１から引出し電極３に向かう電位勾配の傾斜が急峻になる。なお、ここでは、引き出し電極３の電位を固定して試料プレート１の電位を上げているが、試料プレート１の電位を固定して引き出し電極３の電位を下げてもよい。
【００４８】
引出し領域中の電場が上記のように変化すると、その時点で引出し領域中に残っていた主として質量電荷比の大きなイオンに対し最大Ｖ0−ＶE2なる加速電圧が一斉に与えられ、イオンは引出し電極３に向かって引き出される。加速領域に突入したイオンは、引出し電極３の電位とベース電極４ｃの電位ＶB（＝０）との電位差ＶE2−ＶB（＝ＶE2）により一層加速されて飛行空間７に送り出される。飛行空間７に導入されたイオンは飛行中に質量電荷比に応じて分離され、検出器８に到達する。
【００４９】
上述したようにこの第２実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、イオン発生開始時点から遅延時間ｔ1が経過するまでの期間中には、試料２の表面付近で発生したイオンが初期速度で自由に拡がり、質量電荷比に依らず主として初期速度（初期エネルギ）の大きなイオンほど引出し電極３に近づくように分散する。遅延時間ｔ1の経過時点から遅延時間ｔ2が経過するまでの期間中には、引出し領域中に存在している主として質量電荷比の小さなイオンが比較的小さな加速エネルギでもって引出し電極３の方向に引き出され加速領域に導入される。このとき同じ質量電荷比を持つイオンの中でも試料２の近くに存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるから、同一質量電荷比のイオンに対するエネルギ収束が達成され、ひいては時間収束が達成される。
【００５０】
続いて遅延時間ｔ2が経過すると、引出し領域中に存在している主として質量電荷比の大きなイオンが大きな加速エネルギでもって引出し電極３の方向に引き出され加速領域に導入される。このときにも、同じ質量電荷比を持つイオンの中で試料２の近くに存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるから、同一質量電荷比のイオンに対するエネルギ収束が達成され、ひいては時間収束が達成される。
【００５１】
また、試料２から発生した各種イオンは質量電荷比に応じておおまかに分離され、質量電荷比の大きなイオンには質量電荷比の小さなイオンよりも大きな加速エネルギが与えられる。したがって、第１実施例と同様に、質量電荷比に応じた適切なポテンシャルエネルギの変化をイオンに与えることができるので、質量電荷比による初速のばらつきの補正効果の差異が軽減できる。これにより、特定の質量電荷比に片寄らず、幅広い質量電荷比範囲に亘って初速のばらつきを軽減し、高い質量分解能を達成することができる。
【００５２】
第２実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおける遅延引出し動作の効果を検証するためのシミュレーションについて説明する。遅延引出しの実行条件以外の基本的なシミュレーション条件は第１実施例と同様である。
【００５３】
第２実施例における遅延引出し法（本発明法）の実行条件は、図６に示したように、試料プレート１への初期的な印加電圧＝１８０００[Ｖ]、引出し電極３への初期的な印加電圧＝１８１６０[Ｖ]、ｔ1経過時の引出し電極３への印加電圧の減少幅（図５（ｃ）におけるＶE1−ＶE2）＝８５０[Ｖ]、ｔ2経過時の試料プレート１への印加電圧の増加幅（図５（ｄ）におけるＶ0−ＶE1）＝２２０[Ｖ]、ＶB＝０、ｔ1＝７００[ns]、ｔ2＝１５００[ns]、である。従来の遅延引出し法（従来法）の実行条件は第１実施例と同じである。これら実行条件は後述するようにシミュレーションの結果が良好になるように選ばれたものである。なお、本発明法において試料プレート１の初期的な印加電圧よりも引出し電極３への初期的な印加電圧のほうが若干高くなっている理由は上述した通りである。
【００５４】
図７はシミュレーション結果である。従来法ではm/z２０００[Da]で分解能が最大になるように上記実行条件が調整されている。一方、本発明法では、m/z２０００[Da]を含み、分解能が５０００を越える質量電荷比範囲ができるだけ広くなるように上記実行条件が調整されている。この図７から明らかなように、従来法では分解能が５０００を越える質量電荷比範囲は２０００[Da]を中心に１０００[Da]程度の範囲にすぎないのに対し、本発明法では７５０〜４５００[Da]の広い範囲で分解能が５０００を越えている。したがって、本発明法によっても、高い分解能が得られる質量電荷比範囲を従来法に比べて３．５倍に拡大できていることが分かる。
【００５５】
なお、上記第２実施例の説明では、イオン発生時点では試料２近傍に実質的な電場を形成せず、その後、２段階に分けて加速電圧を増加させるようにしていたが、さらに３段階以上に細かく分けて加速電圧を増加させるようにしてもよい。また第２実施例の説明では、遅延時間ｔ1経過後に引出し電極３への印加電圧をステップ状に下げ、次に遅延時間ｔ2経過後に試料プレート１への印加電圧をステップ状に上げることで、試料プレート１から引出し電極３への電位勾配の傾斜を変化させているが、試料プレート１への印加電圧又は引出し電極への印加電圧の一方を固定し、他方を段階的に変化させることで同様の制御を行うことができる。図８は、引出し電極３への印加電圧を固定し、試料プレート１への印加電圧をステップ状に複数回に分けて増加させる場合の電位分布の変化を示す図である。試料プレート１への印加電圧を固定する場合には、引出し電極３への印加電圧をステップ状に減少させればよい。
【００５６】
また、第１実施例における遅延引出し法の特徴点と第２実施例における遅延引出し法の特徴点とは併用することが可能である。即ち、イオン発生時点で引出し領域にイオンを質量分離させるような緩やかな電位勾配を持つ電場を形成しておき、その後に、所定の一定又は非一定の遅延時間が経過する毎に電位勾配を段階的に大きくしていくような制御を行えばよい。
【００５７】
また、図３、図５に示した、試料プレート１への印加電圧Ｖs（ＶS,Ｖ0,ＶE1）、引出し電極Ｖe（ＶE,ＶE1,ＶE2）、及びベース電極４ｃの電位ＶBの関係は相対的なものであるから、例えば、ベース電極４ｃの電位ＶBを１０[kV]下げ（ＶB＝−１０[kV]）、それと同様にＶs、Ｖeを引き下げても、上記説明と同様のイオンの挙動制御が可能であることは明らかである。
【００５８】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００５９】
１…試料プレート
２…試料
３…引出し電極
４…イオン光学系
４ｃ…ベース電極
５…レーザ照射部
６…ミラー
７…飛行空間
８…検出器
１０…信号処理部
１１…制御部
１２…引出し電圧発生部
Ｃ…イオン光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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