(57)【要約】【課題】  大気圧環境下においてもイオン化に優れたイオン化装置、該イオン化装置を有する質量分析装置、該質量分析装置を有する画像表示システム、分析方法を提供する。【解決手段】  試料を保持する保持部と、前記試料の表面に液体を配置して前記試料との間で液架橋を形成するプローブと、前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを前記プローブに形成し且つイオン化した前記物質を前記テイラーコーンから放出させる電極と、前記電極に電圧を印加する電圧印加部と、レーザー光を発する光源と、を有するイオン化装置であって、前記レーザー光が前記テイラーコーンを照射するよう前記光源が配置されていることを特徴とするイオン化装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する保持部と、前記試料の表面に液体を配置して前記試料との間で液架橋を形成するプローブと、前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを前記プローブに形成し且つイオン化した前記物質を前記テイラーコーンから放出させる電極と、前記電極に電圧を印加する電圧印加部と、レーザー光を発する光源と、を有するイオン化装置であって、前記レーザー光が前記テイラーコーンを照射するよう前記光源が配置されていることを特徴とするイオン化装置。
【請求項２】
前記電極が、前記液架橋を形成する位置とは異なる位置に前記テイラーコーンを形成する電極でもあることを特徴とする請求項１に記載のイオン化装置。
【請求項３】
前記光源が、前記液架橋に前記レーザー光を照射しないよう配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン化装置。
【請求項４】
前記プローブと前記試料が繰り返し近づいたり離れたりするように、前記プローブおよび前記保持部のうちの少なくとも一方を振動させる振動付与部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン化装置。
【請求項５】
前記振動付与部が前記プローブを振動させることを特徴とする請求項４に記載のイオン化装置。
【請求項６】
前記レーザー光がパルス発振することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイオン化装置。
【請求項７】
前記保持部を移動させる移動部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のイオン化装置。
【請求項８】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記試料の振動のタイミング、前記プローブの振動のタイミング、前記電極への電圧印加のタイミング、のうちの少なくとも一つと同期させるための同期回路を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のイオン化装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のイオン化装置をイオン化部として有し、さらに、イオン化した前記物質の質量を分析する質量分析部と、前記試料における分析位置を特定する分析位置特定部と、を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記質量分析部が有するイオン数計測器の動作タイミングと同期させるための同期回路を有することを特徴とする請求項９に記載の質量分析装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の同期回路が、請求項８に記載の同期回路と同一のものであることを特徴とする請求項１０に記載の質量分析装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の質量分析装置と、該質量分析装置に接続する画像表示部と、を有する画像表示システムであって、前記分析位置特定部が、前記試料の分析位置の情報と、前記質量分析装置から得られる質量の情報と、から前記試料が有する物質の分布を画像表示するための画像情報を形成する画像表示システム。
【請求項１３】
液体に電圧を印加する工程と、
前記液体を試料の表面に配置してプローブと前記試料との間に液架橋を形成する工程と、
電極に電圧を印加して前記プローブに前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを形成する工程と、
前記テイラーコーンにレーザー光を照射する工程と、
前記テイラーコーンから放出されイオン化した前記物質の質量を分析する工程と、
を有する分析方法。
【請求項１４】
前記テイラーコーンにレーザー光を照射する工程が、前記試料もしくは前記プローブのうちの少なくとも一つを振動させている状態で前記レーザー光を前記テイラーコーンに照射する工程であることを特徴とする請求項１３に記載の分析方法。
【請求項１５】
前記テイラーコーンにレーザー光を照射する工程が、前記プローブを振動させている状態で、前記レーザー光を前記テイラーコーンに照射する工程であることを特徴とする請求項１４に記載の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン化装置、該イオン化装置を有する質量分析装置、該質量分析装置を有する画像表示システム、分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体試料の表面の成分分析のために固体を大気圧環境下でイオン化させる技術がある。
【０００３】
また、イオン化技術を利用して、表面のどこにどのような物質が存在するのかを画像表示するイメージング質量分析（Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＩＭＳ）が研究されている。
【０００４】
特許文献１には、大気圧環境下で固体表面の微小領域に溶媒を付与して溶媒に溶解した物質（溶質）をイオン化させる方法が示されている。
【０００５】
特許文献１では、２本のキャピラリを用いることが示されている。２本のキャピラリは互いの端部が非常に近い位置に位置決めされている。一方のキャピラリからは溶媒が供給され、他方のキャピラリは固体からの溶質を有する溶媒（溶液）をイオン化部分まで移動させる。溶媒に高電圧が印加され、上述の他方のキャピラリの端部のイオン化部分において溶質はイオン化される。
【０００６】
また、被分析物が混合した液体試料にレーザー光を照射し、被分析物のイオン化効率を向上させる方法が提案されている（特許文献２）。
【０００７】
特許文献２の方法では、液体中の水分子の赤外レーザー光の吸収による、局所的な加熱を利用することで、イオン化が促進されることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８０９７８４５号明細書
【特許文献２】特許第４３６６５０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されている方法では、試料を溶媒に溶解する工程（サンプリング工程）と、イオン化が発生する工程（イオン化工程）の場所が分離されており、各工程の間に時間差が発生するため、高速に分析を行うことが困難であった。
【００１０】
また、サンプリング工程とイオン化工程は１つの流路で接続されており、試料が溶解した溶媒はこの流路を経由してイオン化工程へと導かれる。固体表面の成分の分布を把握するために、試料の表面をキャピラリで走査する場合、試料が溶解した溶媒が流路を経由する間に混合され、サンプリング工程の位置と、得られるイオンの分析結果を一致させることが困難になる場合があった。
【００１１】
特許文献２に開示されている方法では、試料は事前に溶媒に溶解しておくことが必要であり、試料の微小領域を溶解させ、速やかにイオン化を行うことは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、本発明は、試料を保持する保持部と、前記試料の表面に液体を配置して前記試料との間で液架橋を形成するプローブと、前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを前記プローブに形成し且つイオン化した前記物質を前記テイラーコーンから放出させる電極と、前記電極に電圧を印加する電圧印加部と、レーザー光を発する光源と、を有するイオン化装置であって、前記レーザー光が前記テイラーコーンを照射するよう前記光源が配置されていることを特徴とするイオン化装置を提供する。
【００１３】
また、別の本発明は、液体に電圧を印加する工程と、前記液体を試料の表面に配置してプローブと前記試料との間に液架橋を形成する工程と、電極に電圧を印加して前記プローブに前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを形成する工程と、前記テイラーコーンにレーザー光を照射する工程と、前記テイラーコーンから放出されイオン化した前記物質の質量を分析する工程と、を有する分析方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、大気圧環境下においてもイオン化に優れたイオン化装置、該イオン化装置を有する質量分析装置、該質量分析装置を有する画像表示システム、分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第一の実施形態に係るイオン化装置を有する画像表示システムを示す模式図である。
【図２】第一の実施形態に係るイオン化装置の各部品の動作タイミングを示す模式図である。
【図３】第二の実施形態に係るイオン化装置を有する画像表示システムを示す模式図である。
【図４】第二の実施形態に係るイオン化装置の各部品の動作タイミングを示す模式図である。
【図５】本発明に係るテイラーコーンの一種を示す模式図である。
【図６】第二の実施形態に係るイオン化装置の同期回路、および同期回路の出力信号により制御される装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態に係るイオン化装置は、試料を保持する保持部と、前記試料の表面に液体を配置して前記試料との間で液架橋を形成するプローブと、前記試料が有する物質を含むテイラーコーンを前記プローブに形成し且つイオン化した前記物質を前記テイラーコーンから放出させる電極と、前記電極に電圧を印加する電圧印加部と、レーザー光を発する光源と、を有するイオン化装置であって、前記レーザー光が前記テイラーコーンを照射するよう前記光源が配置されていることを特徴とするイオン化装置である。
【００１７】
図１は、本発明の第一の実施形態に係るイオン化装置を有する画像表示システムを示す模式図である。
【００１８】
試料２は保持部１に保持される。試料２は生体組織の切片（細胞群）である。プローブ３は針状でその端部が試料２に接触、あるいは図１に示すように試料２と極めて近い位置に配置されている。プローブ３はその内側に流路を有し（不図示）、流路を介して試料２の表面１７に溶媒を供給する。溶媒は、試料が有する物質を溶質として溶解できる液体であり、溶質が溶解した溶媒を溶液と以下で呼ぶ。溶媒は、水と有機溶媒の混合物であるとよく、この混合物に酸および塩基のうちの少なくともいずれかがさらに混合されているとよいが、水あるいは有機溶媒のみでも良い。溶媒であるこの混合物が試料２に触れることで、試料が有する溶媒に溶解しやすい物質（脂質、糖類、平均分子量が２０以上１億未満の分子、の少なくともいずれか）が容易に溶解し、溶媒である液体が溶液へ変化する。
【００１９】
ここで、溶解とは、溶媒中に分子、原子、微小な粒子が分散している状態のことを指す。
【００２０】
溶解しやすい物質の例としては、細胞膜を構成する脂質分子や、細胞内に含まれる糖や細胞内を浮遊するタンパク質、ペプチドがあげられ、溶解しにくい物質の例としては、細胞骨格を形成するタンパク質や細胞骨格にアンカリングされているタンパク質があげられる。
【００２１】
溶媒は液供給部４からプローブ３へ連続して供給される。その際、溶媒には電圧印加部５より電圧が印加される。プローブ３から供給される溶媒はプローブ３の端部と試料２との間で液架橋６を形成する。液架橋６はプローブ３と試料２とを架橋する状態の液体のことである。これは表面張力等を利用している。液架橋６には試料２が有する物質が溶解する。液架橋６は大気圧環境下で形成される。液架橋６の体積は微量で１×１０−１２ｍ３程度である。液架橋６は、試料２の表面１７の一部領域に配置され、この液架橋６の、試料２の表面１７における面積は１×１０−８ｍ２程度の面積である。
【００２２】
なお、液架橋６は試料２の表面１７の極めて狭い領域に配置されるため、試料の表面１７のより広い範囲を分析できるよう、試料２を表面１７の面内方向に走査させる移動部１３を本実施形態に係るイオン化装置は有している。より具体的には移動部１３によって保持部１が移動する。
【００２３】
また、保持部１は振動付与部１６を有しており、振動付与部１６によって保持部１が振動し、液架橋６は振動する。また、液架橋６の振動は、後述するテイラーコーン８にも伝わる。振動付与部１６による保持部１の振動方向は鉛直上下方向である。レーザー光の照射と振動を組み合わせて用いていることにより、溶媒に溶解しにくい物質をより溶解しやすくすることができる。
【００２４】
本実施形態に係るイオン化装置は、図１に示すように、電極１０（イオン引出電極とも呼ぶ）と、電極１０に電圧を印加するための電圧印加部１１と、有する。溶液と電極１０の間に電位差が生じるように電極１０に電圧印加部１１より電圧が印加されると、プローブ３の端部に付着する溶液と電極１０の表面（電極表面２０）との間の電位差（好ましくは１ｋＶ以上１０ｋＶ以下、より好ましくは３ｋＶ以上５ｋＶ以下）により、液架橋６からプローブ３の表面に伝った溶液はプローブ３の端部から電極表面２０に向かった錐状の形状をなすテイラーコーンを形成する。
【００２５】
更に、電圧印加部１１により電極１０に電圧が印加され続けると、帯電した溶液がテイラーコーン８から引きちぎられ、帯電した液滴９となり、電極１０へスプレーされる。
【００２６】
レーザー光を発する光源７は、レーザー光がテイラーコーンを照射するように配置されている。光源７は、試料２を中心として保持部１と反対側に配置されている。なお、「レーザー光がテイラーコーンを照射する」という概念には、レーザー光がテイラーコーンの全てを照射する形態と、レーザー光がテイラーコーンの一部を照射する形態が含まれる。
【００２７】
レーザー光の集光位置を確認するために、光源７に照射位置を観察するためのカメラが内蔵されていてもよい。これにより、テイラーコーン内部の光の集光位置をカメラで観察し、テイラーコーン８とレーザー光の集光位置が重なるように、光源７またはプローブ３の位置を調整することで、レーザー光が効率的にテイラーコーン８を照射することができる。この際、プローブ３の端部に集光位置確認用の印をつけることもできる。テイラーコーン８を観察する場合にはレーザー光の出射を停止するか、レーザー光の波長域を透過しない光学フィルターを使用することが望ましい。また、レーザー光の集光位置を観察する場合には、レーザー光の波長域を透過する光学フィルターを用いることが望ましい。光源７またはプローブ３の位置の調整には、ステッピングモータなどの位置決め装置を利用することが望ましく、これらを光源７またはプローブ３の支持部に接続することができる。
【００２８】
テイラーコーン８の内部におけるレーザー光のスポットサイズは、およそ１ｘ１０−１２ｍ２以上の面積である。スポットサイズは、レーザー光集光用レンズ（不図示）により任意に変えることができ、テイラーコーン８よりも大きくすることができる。
【００２９】
レーザー光は、パルス幅がフェムト秒からナノ秒程度のパルス光で、１０Ｊ／ｍ２以上のパワーのものを用いる。レーザー光の波長は紫外領域でも、可視領域でも、赤外領域のいずれでもよい。レーザー光がパルス発振することができるように、光源７にはレーザー光をパルス駆動する駆動部が内蔵されている。
【００３０】
液滴９に含まれる試料２から溶解した物質は、電極１０に印加される電圧により、スプレーされてイオン化する。なお、テイラーコーンが形成されること、帯電した液滴９がスプレーされること、帯電した液滴９に含まれる物質がイオン化することの一連を総称して以降ではエレクトロスプレーイオン化と呼ぶ。また、「イオン化した物質をテイラーコーンから放出させる」という概念には、テイラーコーンからイオン化していない状態の物質を含む帯電した液滴を放出させ、帯電した液滴がスプレーされている（飛翔している）状態において物質をイオン化する概念も含むものとする。
【００３１】
液架橋６とテイラーコーン８は連続している。これは、電極１０と液架橋６の溶媒との間の外部電場によって、液架橋６の溶媒がテイラーコーン８に連続的に輸送されることによるものである。エレクトロスプレーイオン化が行われている際も、物質は試料２の表面１７から液架橋６に供給される。帯電溶液は連続的にプローブ３に供給され、連続的にスプレーが生じる。液架橋６の形成と物質のイオン化はいずれも同一のプローブであるプローブ３によって行われる。
【００３２】
本実施形態のように、レーザー光がテイラーコーン８を照射すると、物質がイオン化しやすくなる。レーザー光がテイラーコーン８を照射することで、溶媒と溶質で構成される溶液のうちの溶質の一部である凝集した物質が微小粒子に分解する。その結果、物質と溶媒との接触面積が増加し、帯電した溶媒から物質に多くの電荷が付与される。また、レーザー光の波長が溶媒の光吸収波長域と重なる場合には、レーザー光の照射により溶媒が加熱され、物質がよりイオン化されやすくなる。
【００３３】
電極１０は、電圧印加部１１と接続しており、電圧印加部１１により電圧が印加される。電極１０はテイラーコーン８から離脱する液滴９に含まれるイオンを引き込む、流路（不図示）と電極表面２０とを有する構造体であり、例えば円筒形状をなしている。電極表面２０には不図示のポンプが設けられており、イオンは外部環境、すなわち大気と共に電極１０に引き寄せられる。イオンは液滴の状態あるいは気相の状態のどちらでも電極１０に取り込まれる。
【００３４】
本実施形態に係る質量分析装置は、イオン化部として前述した本実施形態に係るイオン化装置と、質量分析部１２と、分析位置特定部１４を有する。電極１０に取り込まれたイオンは質量分析部１２に到達する。質量分析部１２においては、イオンは気相の状態で飛行する。質量分析部１２はＴＯＦ法（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ法）を利用した飛行時間型質量分析部である。質量分析部１２が有する真空の飛行空間をイオンが飛行することで、質量分析部１２はイオンの質量電荷比を計測し、イオン化した物質の質量を分析する。
【００３５】
分析位置特定部１４は、試料２の表面１７におけるイオン化すべき部分を特定し、言い換えれば、質量分析装置が分析すべき部分を特定し、その部分にある物質が液架橋６を介してテイラーコーン８に含まれるように移動部１３によって保持部１を移動させる。分析位置特定部１４は、例えばコンピューターである。分析位置特定部１４は振動付与部１６とも接続している。
【００３６】
本実施形態に係る質量分析装置が有する分析位置特定部１４は、試料２の表面１７におけるイオン化すべき部分を特定するのみならず、試料２の分析位置（試料２のうちの分析される部分）の情報と、前述した本実施形態に係る質量分析装置から得られる質量の情報（質量スペクトル）と、から試料２に含まれる物質の分布を画像表示するための画像情報を形成する。
【００３７】
本実施形態に係る画像表示システムは、前述した本実施形態に係る質量分析装置と、画像表示部と、を有する。
【００３８】
分析位置特定部１４の出力部（不図示）から出力された画像情報は、分析位置特定部１４と接続するフラットパネルディスプレイなどの画像表示部１５に入力され、画像が表示される。画像情報は、二次元画像でも三次元画像でも良い。
【００３９】
このように、試料２の特定の位置の質量分析結果に基づき、試料２の特定の位置から溶解し液架橋６に含まれる物質を知ることができる。この特定の位置を試料２の表面１７の面内で変え、各々の位置で質量分析を行うことで得られる質量スペクトルのデータと、特定の位置の情報を組み合わせることで、試料２の物質の分布（多くの場合、試料２の表面１７における物質の分布）がマッピングされ、画像として表示される（重畳表示される）。表示される物質は位置だけでなくその量も表示され、量の違いは色あるいは明るさで表示される。また、試料２中に分析される物質が複数存在する場合は、物質の各々を異なる色で表示し、各物質の量の違いを明るさで表示した画像とすることもできる。また、試料２の予め取得した顕微鏡画像と、取得した試料２の質量に関する画像とを重ね合わせて表示することもできる。
【００４０】
本実施形態に係るイオン化装置では、試料２に生体組織切片を用いて、溶媒としては、酸または塩基と、水と、有機溶媒と、を有する混合液を用い、溶質としては、容易に溶解する物質として脂質と糖類と平均分子量が２０以上１億未満の分子の少なくともいずれか、溶解しにくい物質として平均分子量が２０以上１億未満の高分子を挙げたが、本発明に係るイオン化装置はその他の試料、溶媒、溶質の組み合わせにも適用できる。例えば、その他の溶媒を用いる例としては、酸または塩基、水と、有機溶媒と、の比率を変える場合が挙げられる。なお、比率は、いずれかが０すなわちいずれかが含まれなない場合があってもよい。比率を変えることで、試料が有する水溶性分子と脂溶性分子の、混合液に対する溶解度を変化させ、所望の分子のイオン化を優先させることもできる。
【００４１】
本実施形態に係るイオン化装置では、電圧印加部５が溶媒に電圧を印加する形態であるので、プローブ３は絶縁体で構成され、プローブ３外に存在する電極（不図示）に接触した溶媒が帯電されてプローブ３に注入されることが好ましい。なお、本発明に係るイオン化装置は、電圧印加部５がプローブ３に電圧を印加し、その結果、溶媒に電圧が印加される形態であってもよい。このような形態では、プローブ３が導電体で構成され、溶媒がその導電体に触れるように構成されていることが好ましい。
【００４２】
本実施形態に係るイオン化装置は、電圧印加部５と電圧印加部１１が別に存在する構成であるが、本発明に係るイオン化装置は電圧印加部５もしくは電圧印加部１１のいずれかのみを有する構成であっても良い。このような場合、一方が他方の機能を兼ねる。
【００４３】
本実施形態に係るイオン化装置は、プローブ３が内部に流路を有し、流路に溶媒が流れる構成であるが、本発明に係るイオン化装置は、液供給部４から液滴がプローブ３に供給され、プローブ３の表面を伝ってプローブ３の端部で液架橋６を形成する構成でもよい。また、プローブ３の内部の途中までは流路を有する構成であっても良い。そのような場合、プローブ３の内部の途中までは流路内を溶媒が流れ、流路の末端に存在する孔によって溶媒がプローブ３の表面に流出し、そこからはプローブ３を伝って溶媒がプローブ３の端部まで到達する。
【００４４】
本実施形態に係るイオン化装置は、プローブ３が内部に流路を有する構成であるが、本発明に係るイオン化装置は、流路を複数有し、各流路が互いに異なる溶媒を流すために設けられている構成でもよい。このような場合、異なる溶媒には異なる電圧を印加するようにしてもよい。
【００４５】
本実施形態に係るイオン化装置は、電極１０とそれに電圧を印加するための電圧印加部１１とが接続された形態であるが、このような形態では、電極１０が導電性部材で形成され電圧印加部１１と接続している構成が好ましい。
【００４６】
一方で、本発明に係るイオン化装置は、電極１０のプローブ３に近い電極表面２０に導電部材を配置した絶縁体で構成されており、電圧印加部１１がその導電部材に接続し、電圧をテイラーコーン８に印加する形態でもよい。
【００４７】
本実施形態に係るイオン化装置では、溶媒に溶解した物質のイオン化効率を向上させるためにレーザー光を用いているが、本発明に係るイオン化装置のレーザー光は、物質にレーザー光をあてて光化学反応させた後に、イオン化するために用いられてもよい。より具体的には、光触媒反応、光切断反応や光吸収反応を利用する。
【００４８】
本実施形態に係るイオン化装置では、レーザー光が照射された溶液（テイラーコーン）は速やかにエレクトロスプレーイオン化されるため、例えば、寿命時間が１ミリ秒以下と短い物質（ラジカル分子・反応中間体）の分析を行うことができる。
【００４９】
本実施形態に係るイオン化装置が有する電極１０には、不図示のポンプが設けられているが、ポンプを停止し、電界による引き寄せ効果のみを利用することもできる。そのような場合、本実施形態に係る質量分析装置は、電界による引き寄せ効果のみで、イオンを質量分析装置に取り込むことができる。
【００５０】
本実施形態に係るイオン化装置は、飛行時間型質量分析装置に用いいてもよく、四重極型質量分析計や磁場偏向型質量分析計、イオントラップ型質量分析計、イオンサイクロトロン型質量分析計のイオン発生部として用いてもよい。
【００５１】
本実施形態に係るイオン化装置が有するプローブ３および電極１０への電圧印加は定常的に行われるが、電圧印加を断続的に行うことにより、エレクトロスプレーの発生を断続的に行うことができる。これにより、電圧印加により変質を受ける物質への、電圧印加時間を最小限にとどめて物質をイオン化できるようになる。
【００５２】
本実施形態に係るイオン化装置は、大気圧環境下で液架橋６を形成し、物質をイオン化させている。ここで、大気圧とは標準大気圧の１０１３２５Ｐａの０．１倍から１０倍の範囲である。本発明に係るイオン化装置の環境は、通常の室内と同じ雰囲気下でもよく、窒素雰囲気下、あるいはアルゴン雰囲気下のような不活性ガス雰囲気下でもよい。
【００５３】
本実施形態に係るイオン化装置は、プローブ３内部の流路に溶媒を、一様な流量で連続的に流す構成であるが、溶媒の流量（流速）を制御してもよい。すなわち、流量の増減を任意の値で設定することができる。これにより、被溶解物質（試料が有する物質）が多い場合には流量を増やし、少ない場合には流量を減らすことで、液架橋６に溶解する物質の濃度の変動を抑え、試料が有する物質を効率的にイオン化することができる。また、流量を増減することで液架橋の大きさを増減することが可能である。液架橋６のサイズはイオン化を行う領域（部分）のサイズと対応するため、質量画像の空間分解能と相関することになる。液架橋のサイズが小さいと空間分解能は向上する一方で、計測領域の数が増加するため、総計測時間が増加する。すなわち、流量を増減することで、総計測時間を変化することが可能になる。例えば、最初に低い空間分解能で質量画像を取得した後、特定の箇所を決定し、さらに高い空間分解能で精密に質量画像を取得することができる。
【００５４】
本実施形態に係るイオン化装置は、テイラーコーン８にレーザー光を照射するタイミングを連続させる構成であるが、本発明に係るイオン化装置では任意のタイミングで断続的に照射してもよい。すなわち、テイラーコーンへのレーザー光の照射を一定時間内で行った後に、一定時間停止する形態でもよい。例えば、レーザー光により分解されやすい物質とされにくい物質が共存する試料において、分解されやすい物質がイオン化する時間はレーザー光の照射を停止し、分解されない物質がイオン化する時間にレーザー光を照射することでイオン化効率を向上させることができる。  本実施形態にかかるイオン化装置は、電極１０およびプローブ３への電圧印加が定常的に行われるが、レーザー光の照射のタイミングと、電極１０とプローブ３への電圧印加のタイミングを任意の値に調整してもよい。例えば、レーザー光の照射開始直後に電圧印加を一定期間実施する。このことにより、レーザー光が照射されていない期間に発生する不要なイオンを検出することがなくなり、レーザー光が照射された直後に発生するイオンを効率的に回収することができるようになる（図２）。
【００５５】
電極１０およびプローブ３への電圧印加の設定は印加ありと無しの２条件であることが示されているが、エレクトロスプレーが発生する状態と発生しない状態の２状態を実施できる電圧に設定することもできる。すなわち、電極１０およびプローブ３への電圧印加の設定はエレクトロスプレーが発生する電圧と、エレクトロスプレーが発生しない電圧の２条件を設定して、印加することもできる。
【００５６】
本実施形態に係るイオン化装置が発生させるテイラーコーン８は、図１に示すように、プローブ３の端部表面に存在し電極表面２０に向かって錐状に伸びた形状をなしている。しかしながら、図５に示すように、液架橋６とテイラーコーン８との境界が明確でない場合には、テイラーコーン８は、プローブ３と電極表面２０との間に存在し電極表面２０に向かって錐状に伸びた形状の溶液１８と、プローブ３を伸長させたと仮定した場合にある領域の溶液１９と、を含む。なお、このような場合も、テイラーコーン８は、プローブ３の端部表面に存在し、電極表面２０に向かって錐状に伸びた形状をなしていると言える。また、このような場合、レーザー光は、プローブ３と電極表面２０との間に存在し電極表面２０に向かって錐状に伸びた形状の溶液１８、もしくはプローブ３を伸長させたと仮定した場合にある領域の溶液１９のいずれか、もしくは両方を照射する。
【００５７】
本実施形態に係るイオン化装置が有する振動付与部１６は、保持部１が有しているが、本発明に係るイオン化装置が有する振動付与部は、保持部外に存在し、保持部と接続していても良い。また、本実施形態に係るイオン化装置が有する振動付与部は、保持部１を鉛直上下方向に振動させているが、本発明に係るイオン化装置が有する振動付与部が、保持部を振動させる方向は鉛直上下方向でなくても良い。例えば、鉛直上向き方向のベクトルと鉛直上向き方向±３０°の方向のベクトルを合わせたベクトルが有する向きとその逆のベクトルが有する向きに繰り返し振動させても良い。
【００５８】
（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態に係るイオン化装置、質量分析装置および画像表示システムは、イオン化装置が有するプローブ３の端部が振動する形態である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
【００５９】
図３は、本実施形態に係るイオン化装置の模式図である。なお、図３において、図１の符号と同じ符号を用いている場合は、同じものを示す。
【００６０】
本実施形態に係るイオン化装置では、振動付与部２７が保持部１ではなくプローブ３に設けられている。振動付与部２７は、電圧印加部２８と接続し、且つ分析位置特定部１４と接続している。プローブ３は、振動付与部２７により、図３中太線矢印が示すように、試料２と電極１０との間を振動する。より具体的には、プローブ３が、プローブ３と試料２とが繰り返し近づいたり離れたりするよう振動する。
【００６１】
振動付与部２７は、圧電素子やモーター素子等であり、プローブ３を振動させる。プローブ３の振動の振れ幅は１０ナノメートルから１０ミリメートルの範囲内、周波数は１０Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下である。
【００６２】
プローブ３は連続的に振動する。プローブ３が振動している最中における、プローブ３が試料２と接しているもしくは近接している位置にある状態ではプローブ３と試料２との間で液架橋６が形成される。そして、プローブ３が振動している最中における、プローブ３が試料２から離れている位置にある（液架橋６が形成される位置よりも電極１０に近い位置にある）状態では、液架橋６は形成されず、テイラーコーン８が生じ液滴９がスプレーされる。すなわち、プローブ３と試料２が近づいたり離れたりすることで液架橋の形成と液滴９の発生を分離して実施することができる。なお、本明細書および本発明において、このような「液架橋６が形成される位置よりも電極に近い位置であり、液架橋が形成されない位置」を「液架橋が形成される位置とは異なる位置」と表現する場合もある。
【００６３】
そして、プローブ３が振動している最中における、プローブ３が試料２から離れてテイラーコーン８を形成している状態（図３における（ｂ）の状態）では、テイラーコーン８を光源７から出たレーザー光が照射し、プローブ３が振動している最中における、プローブ３が試料２と接した、または近接した状態で液架橋６が形成されている状態では、レーザー光がテイラーコーンを照射しない。
【００６４】
本実施形態のイオン化装置では、プローブ３が振動することでプローブ３と試料２の接触時間が減るので、プローブ３と試料２との相対的移動（試料２の表面１７の面内方向における走査による相対的な移動）にともなうプローブ３による試料２の破壊を防止できる。また、液架橋６の形成時間を短縮することで、液架橋６のサイズを抑制し、イオンを発生させる部分の空間的なサイズを小さくすることができる。その結果、イオン化装置の空間分解能が向上する。
【００６５】
本実施形態に係るイオン化装置は、振動付与部２７がプローブ３を振動するが、本発明に係るイオン化装置では、振動付与部を設けずにプローブの自発的な共振を利用してもよい。例えば、プローブのサイズ、材質、流路サイズ、電極１０への印加電圧の大きさ、溶媒の流量を以下のようにすると可能であると考える。
プローブのサイズ：長さ１０マイクロメートル〜１００ミリメートル
材質            ：ガラス、ステンレス、シリコン、ＰＭＭＡ
流路サイズ      ：流路断面積１平方マイクロメートル〜１平方ミリメートル
印加電圧の大きさ：０ボルト〜プラスマイナス１０ｋボルト
溶媒の流量      ：毎分１ナノリットル〜毎分１０００マイクロリットル
【００６６】
また、プローブと保持部のいずれもが振動しても良い。そのような場合、保持部と接続するもしくは保持部内に存在する振動付与部が、プローブを振動させる振動付与部とは別に存在し、保持部を振動させても良い。保持部と接続するもしくは保持部内に存在する振動付与部は、プローブ３と試料２とが繰り返し近づいたり離れたりするように保持部を振動させることが好ましい。より好ましくは、鉛直上下方向に振動させる。
【００６７】
本実施形態に係るイオン化装置では、振動付与部２７が連続的に振動するが、本発明に係るイオン化装置は、イオン化した物質の質量分析ができれば振動付与部２７が断続的に振動してもよい。断続的とは振動している状態と停止している状態が繰り返す場合や、振動時のプローブの振れ幅および／または周期が繰り返して変化する状態を示す。
【００６８】
また振動付与部２７に設定する振動周波数は、共振周波数でも非共振周波数でもどちらでもよい。
【００６９】
本実施形態に係るイオン化装置では、プローブ３の端部が試料２と電極１０との間で振動するが、本発明に係るイオン化装置は、プローブを回転運動させてもよい。プローブを回転運動させる場合、直交しあう二軸方向の振動をプローブに与えればよい。このような場合の振動は、２つの正弦波の合成波である。回転運動によりプローブ端部の軌跡は、単一の円周曲線だけではなく、渦巻き曲線、リサージュ曲線などの軌跡を描くように、プローブを回転運動させてもよい。
【００７０】
本実施形態に係るイオン化装置では、液供給部４が溶媒を連続してプローブ３に供給し、プローブ３と試料２との間に連続して溶媒を供給するが、本発明に係るイオン化装置では、液供給部が、溶媒を、プローブと試料が近づいている（接している）場合にプローブと試料の間に供給し、プローブと試料が離れている場合に供給を止めても良い。すなわち、溶媒の供給とプローブの振動を同期させてもよい。
【００７１】
本実施形態に係るイオン化装置におけるプローブ３の振動を検出する方法は、複数ある。例えば、テイラーコーン８を照射するレーザー光とは異なるレーザー光をプローブ３の側面に照射し、反射光の変位を検出する方法や、プローブ３に振動検出用電気素子を接続し、素子の電気抵抗の変化からプローブ３のひずみを検出する方法や、プローブ３に磁性体を接続し、プローブ３に近接させたコイルに流れる誘導電流の変化を検出する方法が挙げられる。
【００７２】
本実施形態に係るイオン化装置では、液架橋６が形成される際には、テイラーコーン８をレーザー光が照射しているが、本発明に係るイオン化装置では、任意の時間に断続的にレーザー光が照射してもよい。すなわち、テイラーコーンへのレーザー光の照射を一定時間行った後に、一定時間停止する形態でもよい。例えば、レーザー光により分解されやすい物質とされない物質が共存する試料において、分解されやすい物質がイオン化する時間はレーザー光の照射を停止し、分解されない物質がイオン化する時間にレーザー光を照射することで、イオン化効率を向上させることができる。このような場合、レーザー光を照射する回数が、テイラーコーン８が形成される回数より少ない回数としてもよい。例えば、１０回テイラーコーン８が形成される期間のうち、任意のタイミングでレーザー光を５回照射するなど、一定の期間において、テイラーコーンが形成されてレーザー光の照射が行われる回数と、テイラーコーンの形成のみが行われてレーザー光の照射が行われない回数をそれぞれ任意の値に設定することもできる。
【００７３】
本実施形態に係るイオン化装置において、テイラーコーン８の形成とレーザー光の照射のタイミングを同期させるには、プローブ３の振動の周波数および位相と、レーザー光の制御信号の周波数および位相を調整することにより行うことができる。プローブ３の振動をモニタした信号と、レーザー光の照射タイミングを制御する信号を、同期回路を使用して同期することが望ましい。
【００７４】
本実施形態に係るイオン化装置では、電極１０の電圧印加が定常的に行われるが、本発明に係るイオン化装置では、プローブ３の振動のタイミングと、電極１０への電圧印加のタイミングを同期させてもよい。このことにより、液架橋６が形成されている期間に発生する不要なイオンを検出することがなくなり、得られる計測データのノイズを軽減することが可能になる。これに加えて、前述したプローブの振動のタイミングと、レーザー光の照射のタイミングの同期を合わせて実施してもよい。（図４）
【００７５】
図４では、電極１０およびプローブ３への電圧印加の設定は印加ありと無しの２条件であることが示されているが、エレクトロスプレーが発生する状態と発生しない状態の２状態を実施できる電圧に設定することもできる。すなわち、電極１０およびプローブ３への電圧印加の設定はエレクトロスプレーが発生する電圧と、エレクトロスプレーが発生しない電圧の２条件を設定して、印加することもできる。
【００７６】
液架橋６の形成、レーザー光の照射、および電極１０の電圧印加のタイミングを同期さ
せるには、プローブ３の振動、レーザー光の制御信号、電極１０への電圧印加制御信号の
周波数および位相を調整することで行うことができる。このような場合、各々の信号を同
期回路で同期することが望ましい。
【００７７】
液架橋６の形成、レーザー光の照射、および電極１０の電圧印加のタイミングを同期させる場合、より正確には、プローブの振動、レーザー光の照射、イオン引出電極の電圧印加、プローブの印加電圧、試料を保持する保持部の移動、データの取得と保存、のタイミングを正確に調整することが必要である。そのような調整を行うことができる同期回路、および同期回路の出力信号により制御される装置の一例を図６に示す。
【００７８】
図６において、１０１は基準クロック発生回路、１０２はプローブ振動制御信号生成回路、１０６は光源制御信号生成回路、１０８はイオン引出電極電圧制御信号生成回路、１１０はプローブ電圧制御信号生成回路、１１１は試料を保持する保持部制御回路、１１３はイオン数計測器トリガ信号生成回路、１０３は振動付与部、１０４はプローブ、１０５は振動検出装置、１０７は光源、１０９はイオン引出電極、１１２は試料を保持する保持部、１１４はデータ取得装置、１１５はイオン数計測器、１１６は一次メモリ、１１７はデータフィルタ、１１８はストレージを示す。
【００７９】
上記には、ここで示す同期回路を実装する場合として、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を使用した例を示した。これらを用いることで、複数の制御回路（１０１、１０２、１０６、１０８、１１０、１１１）を集積回路上に実装し、それらの制御タイミングを高速かつ正確に調整することが可能になる。
【００８０】
プローブ振動制御信号生成回路１０２、光源制御信号生成回路１０６、およびイオン引出電極電圧制御信号生成回路１０８、プローブ電圧制御信号生成回路１１０、および保持部制御回路１１１、イオン数計測器トリガ信号生成回路１１３では、後段に接続されている各々の装置を制御する電圧信号が生成される。各々、すなわち振動付与部１０３、光源１０７、イオン引出電極１０９、プローブ１０４、保持部１１２、イオン数計測器１１５へ出力される。この電圧信号は三角波、矩形波、サイン波、コサイン波のいずれかである。
【００８１】
プローブ振動制御信号生成回路１０２には、プローブ１０４の実際の振動を検出することで得られる電圧信号と、基準クロック発生回路１０１から発生する基準クロックに基づいて生成される電圧信号との間の位相差をゼロにするために、フィードバック回路が内蔵されており、この回路が駆動することで、一定の周波数でプローブ１０４を振動させる。
【００８２】
実際のプローブ１０４の振動の検出には、振動検出装置１０５が用いられ、振動検出装置１０５からの出力信号は、プローブ振動制御信号生成回路１０２へ入力される。このような駆動機構は、一般的にＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）として知られている。ＰＬＬ用の回路内部に遅延補償回路を設けることによって、基準信号に対して任意の遅延時間をもつ電圧信号を生成することもできる。
【００８３】
振動検出装置１０５からの出力信号は、光源制御信号生成回路１０６、イオン引出電極電圧制御信号生成回路１０８、プローブ電圧制御信号生成回路１１０、保持部制御回路１１１、イオン数計測器トリガ信号生成回路１１３にも入力される。入力された電圧信号のうち、プローブが液架橋を形成しているタイミング、プローブ先端部分でイオン化が発生しているタイミング、液架橋とイオン化の間のタイミングといった、特定の時間を抽出し、その期間内で、各々の回路と接続されている装置の駆動が制御される。
【００８４】
例えば、図４のプローブの変位の信号が、振動検出装置１０５の出力信号であり、これが光源制御信号生成回路１０６、イオン引出電極電圧制御信号生成回路１０８、プローブ電圧制御信号生成回路１１０、保持部制御回路１１１に入力された場合に、特定の電圧の閾値を設定し、閾値よりも小さい電圧である期間を液架橋の形成タイミングとして設定したり、閾値よりも大きい電圧である期間をイオン化が発生しているタイミングとして設定することができる。このようにして決定されるタイミングと同期するように、プローブ１０４への電圧印加のタイミング、光源１０７の光照射タイミング、イオン引出電極１０９の電圧印加のタイミング、保持部１１２の移動タイミングが制御される。また、基準クロック発生回路１０１からの信号を用いることで、プローブ１０４の電圧印加のタイミング、光源１０７の光照射タイミング、イオン引出電極１０９の電圧印加のタイミング、保持部１１２の移動タイミングを定量的に計測および制御することも可能になる。
【００８５】
イオン数計測器トリガ信号生成回路１１３で生成される出力信号は、イオン数計測器１１５のゲート電圧信号として入力される。イオン数計測器１１５は、通常、質量分析装置のトリガ信号を断続的に受信し、トリガ信号受信後に、質量分析装置の検出器に到達したイオン数を計測するように動作する。
【００８６】
トリガ信号は、質量分析装置のイオン分離部の構成により異なり、質量分析装置として、四重極型質量分析計、飛行時間型質量分析計、磁場偏向型質量分析計、イオントラップ型質量分析計などを用いた場合には、質量分析ごとに特定のタイミングをトリガ信号として用いることができる。
【００８７】
例えば、四重極型質量分析計では四重極電極への高周波電圧の印加を開始する時のタイミングを示す信号を、飛行時間型質量分析計では、イオンの飛行時間を計測する装置のイオンを加速するためのパルス電圧を印加する時のタイミングを示す信号を、磁場偏向型質量分析計では、セクタ型電極への磁場の印加を開始するタイミングを示す信号を、イオントラップ型質量分析計では、イオントラップへイオンを導入するタイミングを示す信号を、それぞれトリガ信号として用いることができる。一般的には、飛行時間型質量分析計のパルス電圧、およびイオントラップ型質量分析計のイオン取込みの周波数はプローブの振動周波数よりも高いことが多い。
【００８８】
また、プローブ先端部分でイオン化が発生しているタイミングに同期するように、ゲート電圧信号が出力される。このような場合には、ゲート信号が出力されている期間に対応して、イオン数計測器１１５が動作するように設定されている。ここで、ゲート信号は正電圧・負電圧・０ボルトのいずれかであり、イオン数計測器により異なる。プローブからイオンが発生している時間のみイオン数計測器を動作することができるため、液架橋が形成されている間、および液架橋が形成されてからイオン化が発生するまでの間のノイズ信号を計測することが無くなり、計測データの信号に含まれるノイズ信号を減少することができるようになる。
【００８９】
次に、イオン数計測器１１５からの電圧信号をデジタルデータとして収録する方法を述べる。イオン数計測器１１５からの信号はアナログ／デジタル変換を経て、一次メモリ１１６に一定時間保存される。計測すべきイオン種に対応した計測データを選別し、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ１１８に保存される。このデータを選別する工程はデータフィルタ１１７内でプログラム的に処理された後に、新しいデータがメモリに上書きされる。データを選別した後にストレージに保存することで、データの総量を削減することができ、事前に計測対象のイオンが決まっている場合には適用することができる。一方、未知のイオンの検出を行う場合には、イオン数計測器１１５で得られた全データをストレージ１１８に保存することもできる。
【００９０】
被計測対象物の広範囲を計測する際には、保持部１１２を移動させることが必要である。保持部制御回路１１１は基準クロックに基づいて、保持部１１２の位置を制御するための信号を生成し、保持部１１２に出力する。この際に、振動検出装置１０５からの信号に基づいて、プローブ先端部分でイオン化が発生しているタイミング、および特定の時間内のイオン化の回数を計測することで、試料位置ごとのイオン化の回数を定量的にそろえることができる。保持部１１２を移動させながら、上記データの取得と保存の工程を連続的に実施することもできる。このことにより、計測対象物の二次元データを連続的に保存することができる。
【００９１】
以上は、各々の信号生成回路が、閾値に対する出力信号をそれぞれ生成する実施形態について述べたが、本発明においてはこの形態に限るものではなく、共通の信号生成回路を別途設け、１０５の信号に対する特定の時間を抽出し、この時間に対応する電圧信号を、各々の信号生成回路１０６、１０８、１１０、１１１、１１３に入力してもよい。
【００９２】
また、信号生成回路１０６、１０８、１１０、１１１、１１３はすべて駆動させても、一部のみを駆動させてもよい。一部のみを駆動させる場合には、同期回路内に信号生成回路１０６、１０８、１１０、１１１、１１３のうち必要な回路のみを実装してもよい。
【００９３】
また、上記の同期方法は、第二の実施形態におけるプローブが振動している場合の同期方法をしめすものであるが、第一の実施形態のようにプローブが停止している場合には、プローブの振動に関するプローブ振動制御信号生成回路１０２、振動付与部１０３、振動検出装置１０５を停止し、各々の制御回路には基準クロック発生回路１０１からの信号を用いて各種制御信号を生成すればよい。
【符号の説明】
【００９４】
１  保持部
２  試料
３  プローブ
４  液供給部
５  電圧印加部
６  液架橋
７  光源
８  テイラーコーン
９  帯電した液滴
１０  電極
１１  電圧印加部
１２  質量分析部
１３  移動部
１４  分析位置特定部
１５  画像表示部
１６  振動付与部
１７  試料の表面
１８  プローブの端部表面に存在し電極表面に向かって錐状に伸びた形状の溶液
１９  プローブを伸長させたと仮定した場合にある領域の溶液
２０  電極表面
２７  振動付与部
２８  電圧印加部
１０１  基準クロック発生回路
１０２  プローブ振動制御信号生成回路
１０３  振動付与部
１０４  プローブ
１０５  振動検出装置
１０６  光源制御信号
１０７  光源
１０８  イオン引出電極電圧制御信号生成回路
１０９  イオン引出電極
１１０  プローブ電圧制御信号生成回路
１１１  保持部制御回路
１１２  保持部
１１３  イオン数計測器トリガ信号生成回路
１１４  データ取得装置
１１５  イオン数計測器
１１６  一次メモリ
１１７  データフィルタ
１１８  ストレージ
【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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