(57)【要約】【課題】  大気圧環境下で試料表面の微小領域の成分を高速かつ高効率でイオン化できるイオン分析装置を提供すること。【解決手段】  試料表面の少なくとも一部の領域にレーザー光を照射して粒子を飛翔させるレーザー光発振部と、端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、イオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、前記端部の外周に保持された前記液体からイオンが飛翔するように、前記液体と前記イオン引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、  前記端部の外周に保持される前記液体が前記レーザー光の照射により飛翔した前記粒子を取り込むように前記領域と該端部とが非接触且つ近傍に配置されており、前記端部の液体を用いて前記粒子をイオン化す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】
試料表面の少なくとも一部の領域にレーザー光を照射して粒子を飛翔させるレーザー光発振部と、
端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、
イオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、
前記端部の外周に保持された前記液体からイオンが飛翔するように、前記液体と前記引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
前記端部の外周に保持される前記液体が前記レーザー光の照射により飛翔した前記粒子を取り込むように前記領域と該端部とが非接触且つ近傍に配置されており、
前記端部の液体を用いて前記粒子をイオン化することを特徴とするイオン化装置。
【請求項２】
飛翔した前記粒子を前記液体に取り込む際の前記端部の位置と、前記粒子をイオン化する際の前記端部の位置と、が異なる請求項１に記載のイオン化装置。
【請求項３】
前記液体保持部の前記端部を振動させるための振動手段を有する請求項１または２に記載のイオン化装置。
【請求項４】
前記レーザー光をパルス駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項５】
前記試料表面に対して前記端部および前記レーザー光を相対的に走査させる走査手段を有する請求項１から４のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項６】
前記走査手段が、前記端部および前記レーザー光の位置関係を保持したまま走査させる手段である請求項５に記載のイオン化装置。
【請求項７】
前記液体保持部は、前記端部の外周に液体を供給するための、該端部に開口を有する流路を内部に有している請求項１から６のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項８】
前記端部の外周に保持される前記液体に電圧を印加するための電極を前記液体保持部に有する請求項１から７のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項９】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記液体保持部の振動のタイミングと同期させるための同期回路を有する請求項１から８のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項１０】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記液体と前記引出電極との間に電圧を印加するタイミングと同期させるための同期回路を有する請求項１から９のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項１１】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記イオン化装置に接続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請求項１から１０のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項１２】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記イオン化装置のイオン引出電極への電圧の印加のタイミングと同期させるための同期回路を有する請求項１から１１のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項１３】
前記レーザー光の照射のタイミングを、前記液体保持部の振動のタイミング、前記液体と前記引出電極との間に電圧を印加するタイミング、前記イオン化装置に接続するイオン数計測器の動作タイミング、前記イオン化装置のイオン引出電極への電圧の印加のタイミングのうち、少なくとも２つと同期させるための同期回路を有する請求項１から１２のいずれかに記載のイオン化装置。
【請求項１４】
イオン化部に請求項１乃至７のいずれか一項に記載のイオン化装置を有し、前記イオンの質量を分析する質量分析部を有する質量分析装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の質量分析装置と、
前記質量分析装置によって分析された質量情報と前記試料表面における前記領域の位置情報とから試料に含まれる物質の成分の分布を画像表示するための画像情報を作成する画像形成部と前記画像情報を表示装置に出力する出力部とを有する画像情報作成装置と、
を有する画像作成システム。
【請求項１６】
端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、レーザー光と、を用いた試料の分析方法であって、
前記試料表面の少なくとも一部の領域にレーザー光を照射するとともに、前記端部の外周に保持される前記液体が前記レーザー光の照射により飛翔した前記粒子を取り込むように前記領域と前記端部とを非接触且つ近傍に配置し、前記端部の液体を用いて前記粒子をイオン化する工程と、
前記イオン化した試料を質量分析手段へ導く工程と、
前記質量分析手段で質量分析を行う工程と、を有することを特徴とする試料の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体試料のイオン化装置及び方法に関する。
【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】
固体試料表面の微小領域にレーザー光を照射し、試料から脱離した微小粒子を対向した液体に取り込んだ後に、微小粒子の成分をイオン化する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、大気圧環境下において固体試料の微小領域に集光したレーザー光を照射する。レーザー光の照射に対して、試料が粒子状物質として表面から脱離する現象が生じる。レーザー光の照射領域に溶媒を近接させることで、微小粒子状物質を溶媒に取り込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９１０８８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている方法は、キャピラリの一方の先端に溶媒を保持し、試料から脱離した微小粒子を溶媒に取り込み、その溶媒をキャピラリの管内部に流して、他方の端部にあるイオン化部でイオン化を行うものである。すなわち、特許文献１の図１に示すような溶媒を先端に供給する機構と、微小粒子を取り込んだ溶媒をイオン化部に流動させるための機構の両者をキャピラリの管内に必要とし、構成が複雑にならざるを得ない。また、成分分析のためのイオン化の工程は、溶媒への取り込み工程から時間と場所がともに分離されており、溶媒をイオン化部へ輸送するための作業が必要となる。このため、レーザー光の照射による試料の取り込みから成分の計測（イオン化）まで秒単位の時間が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
よって本発明は、
試料表面の少なくとも一部の領域にレーザー光を照射して粒子を飛翔させるレーザー光照射部と、
端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、
イオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、
前記端部の外周に保持された前記液体からイオンが飛翔するように、前記液体と前記引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
前記端部の外周に保持される前記液体が前記レーザー光の照射により飛翔した前記粒子を取り込むように前記領域と該端部とが非接触且つ近傍に配置されており、前記端部の液体を用いて前記粒子をイオン化することを特徴とするイオン化装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、大気圧環境下で試料表面の微小領域の成分を高速かつ高効率でイオン化できるイオン分析装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一の実施の形態に係るイオン化装置を有する画像作成システムを示す模式図である。
【図２】第一の実施の形態に係るイオン化装置のモード、各装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【図３】第二の実施の形態に係るイオン化装置を有する画像作成システムを示す模式図である。
【図４】第二の実施の形態に係るイオン化装置のモード、各装置の動作タイミングを示すチャート図である。
【図５】本発明に係るイオン化装置の同期回路を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係るイオン化装置は、試料表面の少なくとも一部の領域にレーザー光を照射して粒子を飛翔させるレーザー光照射部と、端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、イオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、端部の外周に保持された液体からイオンが飛翔するように、液体とイオン引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、該端部の液体を用いてレーザー光の照射により飛翔した粒子をイオン化するものである。
【００１０】
端部の外周に保持される液体がレーザー光の照射により飛翔した粒子を取り込むように試料表面の少なくとも一部の領域と端部とが非接触且つ近傍に配置されている。これにより、端部の液体を用いて粒子を効率よくイオン化することができるようになる。
【００１１】
本発明において、試料表面の少なくとも一部の領域と液体保持部の端部との配置関係は、端部が保持する液体によってそれらが架橋された液架橋が生じない距離にあり、且つレーザー光の照射により試料表面から飛翔した粒子を取り込み可能な近傍に配置されている。
【００１２】
配置関係は、各構成の大きさによるが、レーザー光が照射される試料表面の一部の領域（例えばレーザー照射スポット径）がミクロンからミリオーダーである場合、試料表面と前記端部との距離は、０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
以下に実施の形態を用いて、本願発明を詳細に説明する。
【００１４】
（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態に係るイオン化装置は、試料に溶媒を供給する液体供給手段と、液だまり形成する端部を有し、該端部の外周に液体を保持可能な液体保持部と、レーザー光が試料表面に照射されるようにレーザー光照射部が配置されている装置である。レーザー光照射部は、レーザー光源が発振するレーザー光を試料表面の所望の位置に照射可能なように配置されている。
【００１５】
図１は本発明の第一の実施の形態に係るイオン化装置を有する画像作成システムを示す模式図である。図１（ａ）はシステムの全体を示し、図１（ｂ）はシステムの一部である、液体保持部の先端部分近傍の装置システムを示す。
【００１６】
試料２は保持台１に載置され保持される。試料は生体組織の切片（細胞群）であると良い。液体保持部３は図１の針のような長尺形状でその端部が図示するように試料に近い位置に配置されている。液体保持部はその内側に流路を有し（不図示）、流路を介し液体保持部の端部に液体を保持可能に構成されている。液体保持部の内側の流路は液体供給手段４に連通しており、端部に液だまりを形成するように溶媒を供給する。溶媒は試料に含まれ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呼ぶことにする。本実施形態において溶媒とは水と有機溶媒の混合物に酸または塩基が混合された物である。溶媒は液体供給手段４から液体保持部３へ連続して供給でき、電圧印加手段５により電圧が印加可能になっている。液体保持部３に供給された溶媒は液体保持部の端部で液だまり２１を形成する。液だまりは大気圧環境下で形成される。液だまりの体積は微量でおよそ１×１０−１２〜１×１０−６ｍ３程度である。液だまりは試料２と接触しない位置で保持される。
【００１７】
レーザー光を発するレーザー光照射部６は、レーザー光が液だまりに近接する試料の微小領域２２にあたるように光源が配置されている。レーザー光照射部は試料面側、すなわち保持台の試料が保持される側に配置されている。
【００１８】
レーザー光の集光位置を確認する方法として、レーザー光照射部６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。このことにより、集光位置からの光をカメラで観察し、試料の微小領域２２とレーザー光の集光位置が重なるように、レーザー光照射部６の位置を調整することで、レーザー光を効率的に試料表面に照射することができる。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。レーザー光照射部６または液体保持部の位置の調整には、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、これらをレーザー光照射部６または液体保持部の支持部に接続することができる。
【００１９】
レーザー光照射部が試料表面に照射するレーザー光のスポットサイズはおよそ１×１０−１２ｍ２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る。レーザー光発振部は、レーザー光をパルス駆動する駆動手段を有することが好ましく、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と良い。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。
【００２０】
液だまりが保持された液体保持部の端部は、微小領域２２とイオン引出電極７の間の空間に配置するように構成されている。これらの配置関係は、レーザー照射により微小領域２２から飛翔する微小物質２３が液だまり２１と衝突可能な位置であり、且つ液体保持部から微小物質２３がイオン引出電極７に向かって飛翔可能な位置にあれば良く、これらの作用を生ぜしめる中心的な位置が直線関係であると好ましいが、非直線の関係であっても良い。
【００２１】
液体保持部は、長尺形状であれば良く、キャピラリーチューブのような針状や、円錐、円柱、角錐、角柱、あるいは狭幅の長尺平板であっても良い。
【００２２】
また、液体保持部の端部の外周に液体を供給し易いように、内部が中空管状の流路を有することが好ましい。
【００２３】
また、液体保持部の端部の外周に液だまりを形成し易いように、端部に凹凸形状や撥水性と疎水性の境界領域を設けるなどの工夫を行っても良い。
【００２４】
また、液体保持部の材質としては、長尺な軸に対して撓み振動させることができるように、可撓性のある材料で構成することが好ましい。
【００２５】
また液体保持部は、端部の外周に液体を供給するための、端部に開口を有する流路を内部に有していると良い。
【００２６】
試料表面に対してレーザー光を走査させる、すなわち試料表面における微小領域２２の位置を変える場合は、上記の相対位置関係を保ったまま移動させることが好ましい。具体的には、レーザーの照射光学系と液体保持部の位置を固定した状態で試料を移動手段１０により移動させると良い。移動は、相対的な移動であってよく、あるいは、試料を固定した状態で、レーザーの光学系および液体保持部の相対位置を保った試料表面に対して面内方向に走査するように移動させる構成でも良い。
【００２７】
レーザー光が試料の微小領域２２に照射されると、試料表面から微小物質２３が脱離する。微小物質２３は近接する液だまり２１に衝突し、吸収される。この動作形態を第一の動作モード（モードＡ）とする。微小物質２３が溶媒であるこの混合物の液だまり２１に触れることで、試料に含まれる物質（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）が溶解し、溶媒である液体が溶液へ変化する。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。
【００２８】
液体保持部の先端にテイラーコーン２４を生じさせるために、イオン引出電極７とそれに電圧を印加させるための電圧印加手段８が配置されている。液体保持部３に付着する液体とイオン引出電極７の間の高い電位差（１ｋＶ以上１０ｋＶ以下、より好ましくは３ｋＶ以上５ｋＶ以下）により、液体がテイラーコーン２４を形成する。テイラーコーンは、イオン引出電極に向かった錐状の形状をしている。
【００２９】
テイラーコーン２４先端において、帯電した液体がテイラーコーンから引きちぎられ、帯電した液滴２５となり、イオン引出電極へスプレーされる。この液体には微小物質２３が含まれる。帯電液滴２５から微小物質２３の成分がイオンとして発生する。発生したイオンは質量分析装置に導入され、質量電荷比が計測される。なおテイラーコーンが形成されること、帯電液滴がスプレーされること、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。この動作形態を第二の動作モード（モードＢ）とする。
【００３０】
本実施形態では、溶媒である水と有機溶媒と酸または塩基を有する混合物に、試料表面から脱離した微小物質を取り込んだのちに速やかにイオン化することができる。すなわち、従来技術では困難であった、溶媒への試料の取り込みからイオン化までの時間を減少することができるため、計測時間が短縮される。さらに、溶媒にいったん取り込むことで、微小物質を溶媒中に分散させ、帯電した溶媒との相互作用を増加することができるため、イオン量を増加することもできる。
【００３１】
イオン引出電極は導電部材を有し電圧印加手段８と接続しており電圧印加手段８により所定の電圧が印加される。イオン引出電極はテイラーコーンから離脱する液滴に含まれるイオンを引き込む流路を構成する構造体で、例えば円筒である。イオン引き込み口となるイオン引出電極には不図示のポンプが接続されており、イオンは外部環境、すなわち気体と共にイオン引出電極に引き寄せられる。イオンは液滴の状態あるいは気相の状態のどちらでも引出電極を通過する。そして質量分析手段９においては、イオンは気相の状態で飛行する。質量分析手段９はＴＯＦ法（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ法）を利用した飛行時間型質量分析手段である。イオンは質量分析手段９が有する真空の飛行空間を飛行することで質量電荷比が計測される。
【００３２】
ここで、溶媒への電圧の印可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。このことにより、電圧印可により変質を受ける物質への、電圧印可時間を最小限にとどめ、物質をイオン化できるようになる。
【００３３】
第一の実施の形態に係る画像作成システムは、質量分析装置と、画像情報形成装置を有する。
【００３４】
質量分析装置はイオン化部と質量分析部９を有する。
【００３５】
イオン化部は保持台１、液体保持部３、レーザー光照射部６、イオン引出電極７、液体供給手段４、電圧印加手段５、８を有するイオン化装置である。
【００３６】
上述するように液だまりは液体保持部端部の微小領域に配置される。試料の面内のより広い範囲を分析するために、試料２を面内方向に走査させる移動手段１０を有している。移動手段１０は分析位置特定手段１１と接続されており、分析位置特定手段１１は質量分析手段９と接続している。分析位置特定手段１１は質量分析装置９が分析するべき領域を特定し、その位置の試料の微小領域２２がレーザー光の照射により脱離し、液だまり２１に含まれそしてテイラーコーン２４に含まれるように保持台１を移動させる。
【００３７】
分析位置特定手段１１は特定位置における分析対象物質の質量分析結果（質量スペクトルデータなどの質量情報）に基づいて画像表示するための画像情報を形成する画像形成部を有する画像情報作成装置である。画像情報は二次元画像でも三次元画像でもよい。分析位置特定手段１１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手段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手段１２に送られる。画像情報は画像表示手段１２に入力され、画像として表示する。
【００３８】
このように、試料の特定位置に対応した質量分析結果に基づき、特定位置を面内で変えてそれぞれの位置で質量分析することで、試料の質量分析結果を画像として表示することができる。質量分析結果により、レーザー光が照射された試料から発生した微小物質２３の成分を知ることができる。画像は生体組織切片中の所定の成分がマッピングされる（重畳表示される）。表示される成分は位置だけでなくその量も表示され、量は色であるいは明るさでその違いが表示される。すなわち、分析された質量情報と試料における位置情報とから試料に含まれる物質の成分の分布を画像表示することができる。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。
【００３９】
本実施形態に係るイオン化装置は試料に生体組織切片を用いて、溶媒に水と有機溶媒と酸または塩基とを有する混合物を挙げたが、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。例えば溶媒の場合、水と有機溶媒と酸または塩基の比率を変えることができる。比率は例えばどれかが０すなわち含まれなくてもよい。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、混合物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。
【００４０】
本実施形態に係るイオン化装置は、電圧印加手段５が溶媒に電圧を印加する形態であるが、これは液体保持部３が絶縁体である場合が好ましい。また本発明に係るイオン化装置は、電圧印加手段５が液体保持部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もよい。この場合、液体保持部３が導電体で、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。
【００４１】
本実施形態に係るイオン化装置は、液体保持部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、液体供給手段４から液滴が液体保持部３に供給され、液体保持部３を伝って液体保持部３端部で液だまりを形成する構成でもよい。
【００４２】
本実施形態に係るイオン化装置は、液体保持部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。この場合異なる溶媒には異なる電圧を印加する手段を有してもよい。
【００４３】
本実施形態に係るイオン化装置は、イオン引出電極７とそれに電圧を印加させるための電圧印加手段８とが接続された形態であるが、この場合イオン引出電極７は導電性部材を有しており、そこが電圧印加手段８と接続している構成が好ましい。
【００４４】
一方で本発明に係るイオン化装置は、イオン引出電極７が絶縁部材で、イオン引出電極７の液体保持部３に近い端部に導電部材を配置し、電圧印加手段８がその導電部材に接続し、高電界をテイラーコーン２４に印加する形態でもよい。
【００４５】
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るほかに、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。
【００４６】
本実施形態に係るイオン化装置は、大気圧環境下で液だまりおよびテイラーコーンを形成し、物質をイオン化させているが、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。また環境は通常の室内と同じ雰囲気下でもよく、あるいは窒素雰囲気下、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。
【００４７】
本実施形態にかかるイオン化装置は、液体保持部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。このことにより、被溶解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、液だまりに溶解する物質の濃度の変動を抑え、試料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だまりの大きさを増減することが可能である。液だまりのサイズは微小物体の取り込む領域のサイズと対応する。また、試料の微小領域２２のレーザー光が照射される領域のサイズはレーザー光のスポットサイズに依存するため、質量画像の空間分解能と相関することになる。すなわち、レーザー光のスポットサイズを広げ広範囲の試料表面を照射する場合、微小物質２３の空間的な広がりは大きくなるので、流量を増やすことで液だまりの体積を増やすことになる。
【００４８】
すなわち、レーザー光のスポットサイズが小さいと空間分解能は向上する一方で、微小物質を脱離させる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、流量と総計測時間はトレードオフの相関があり、流量を変化することで計測時間をコントロールすることが可能になる。例えば、まずは低い空間分解能で質量画像を取得したのちに、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で、効率的に計測を実施することもできる。
【００４９】
本実施形態にかかるイオン化装置は、モードＡにおける試料の微小領域２２へのレーザー光の照射のタイミングは、連続的に行われる構成であるが、任意の時間に断続的に照射してもよい。すなわち、試料表面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。このことにより、レーザー光と、レーザー光に分解されやすい物質の相互作用する時間を短くし、物質の分解を軽減することができる。また、レーザー光により試料の微小領域２２が局所的に加熱されることを軽減し、熱による物質の劣化を軽減することができる。
【００５０】
本実施形態にかかるイオン化装置は、イオン引出電極７の電圧印可はモードＡにおいては実施されず、モードＢにおいて実施される。
【００５１】
レーザー光の照射と、イオン引出電極７の電圧印加、および液体保持部への電圧印加のタイミングの例を図２に示す。モードＡにおいてレーザー光が照射され、それぞれの電圧印加が停止する。モードＢではレーザー光が停止し、それぞれの電圧が印加される。この図ではレーザー光の照射のタイミングはモードＡの中間であるが、モードＡの期間内であれば任意のタイミングに調整できる。
【００５２】
モードＡではイオン引出電極および液体保持部への電圧印可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。すなわちイオン引出電極および液体保持部への電圧印可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。このことにより、微小物質２３が帯電した物質である場合、液だまり２１に吸収される量を増大させる効果が得られる。すなわち、負に帯電した微小物質２３をイオン化したい場合には正の電圧を液体保持部に印加することで静電的な引力を発生させ、微小物質を液だまりに吸い込む作用を得ることができ、正に帯電した微小物質は逆の電圧を印加することで同様の作用を得ることができる。また正と負に帯電した微小物質がいずれも生じる場合には、液だまりに正と負の電圧を交互に印加することが望ましい。
【００５３】
（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態に係るイオン化装置は、液体保持部３がその端部を振動する形態である。それ以外は第一の実施の形態を同じである。
【００５４】
図３は本実施の形態に係るイオン化装置の模式図である。
【００５５】
本実施形態に係るイオン化装置は振動手段１３が保持台１ではなく液体保持部３に設けられている。振動手段１３は電圧印可手段１４と接続し、且つ分析位置特定手段１１と接続している。液体保持部３は手段１３により図中矢印が示すように振動する。
【００５６】
振動手段１３は圧電素子やモーター素子等であり、液体保持部３を振動させる。液体保持部３の振動の振れ幅は数十ナノメートルから数ミリメートル程度、周波数は１０Ｈｚ以上１ＭＨｚ程度である。
【００５７】
液体保持部３は連続的に振動し、液体保持部の先端部が試料表面近傍に存在する状態と、液体保持部の先端部がイオン引出電極の近傍に存在する状態をとり、試料表面近傍の状態では液体保持部およびイオン引出電極への電圧の印加が停止または低電圧に印加されるため、液体保持部の先端部に液だまり２１が形成される。液だまり２１は試料２と接触しない位置で保持される。一方、イオン引出電極の近傍の状態では、電圧が印加され、液体保持部の先端部にテイラーコーンが形成され、エレクトロスプレーによるイオン化が発生する。
【００５８】
第一の実施形態と同様に、レーザー光を発するレーザー光発振部６は、レーザー光が液だまりに近接する試料の微小領域にあたるように配置されている。レーザー光により試料表面から微小物質２３が脱離し、液だまり２１に衝突し、吸収される。この動作形態を第一の動作モード（モードＡ）とする。
【００５９】
次に、液体保持部３、イオン引出電極７に電圧を印加することで液体保持部の先端部でエレクトロスプレーによるイオン化が生じ、微小物質２３の成分がイオンとして発生する。この動作形態を第二の動作モード（モードＢ）とする。
【００６０】
本実施形態のように、振動する液体保持部を用いて、モードＡとモードＢを各々別に実施する場合、第一の実施形態とは異なる効果が得られる。すなわち、モードＡからモードＢに変化する場合に、液体保持部の先端部とイオン引出電極の間の距離が短くなるために、両者の間の電界強度が増大する。その結果、エレクトロスプレー先端部分の電界強度が増大し、エレクトロスプレーの効率が向上する。
【００６１】
本実施形態に係るイオン化装置は、振動手段が液体保持部を振動するが、振動手段を設けずに液体保持部の自発的な共振を利用してもよい。例えば液体保持部のサイズ、材質、流路サイズ、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。
液体保持部のサイズ  ：  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
【００６２】
本実施形態に係るイオン化装置は、振動手段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手段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、振動時の液体保持部の振れ幅および／または周期が繰り返して変化する状態を示す。
【００６３】
また振動手段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。
【００６４】
本実施形態に係るイオン化装置は、液体保持部の先端部が試料２とイオン引出電極７との間で振動するが、本発明に係るイオン化装置は、液体保持部をそれ以外に回転運動させてもよい。液体保持部を回転運動させる場合、直交しあう二軸方向の任意の振動を液体保持部に与えればよい。この場合液体保持部の振動は２つの正弦波の合波である。
【００６５】
本実施形態に係るイオン化装置は、液体供給手段が溶媒を連続して液体保持部と試料の間に供給するが、本発明に係るイオン化装置は、液体供給手段が溶媒を、液体保持部と試料が近づいている場合に液体保持部と試料の間に供給し、液体保持部と試料が離れている場合に供給を止める、すなわち溶媒の供給と液体保持部の振動を同期させてもよい。
【００６６】
本実施形態に係るイオン化装置の、液体保持部の振動は複数の方法を用いて検出することができる。例えばレーザー光を液体保持部の側面に照射し、反射光の変位を検出する方法や、液体保持部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液体保持部のひずみを検出する方法や、液体保持部に磁性体を接続し、液体保持部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。
【００６７】
本実施形態にかかるイオン化装置は、モードＡにおける試料の微小領域へのレーザー光の照射のタイミングは、第一の実施形態のように、任意の時間に断続的に照射してもよく、第一の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザー光と、レーザー光に分解されやすい物質の相互作用する時間を短くし、物質の分解を軽減することができる。また、レーザー光により試料の微小領域２２が局所的に加熱されることを軽減し、熱による物質の劣化を軽減することができる。
【００６８】
液体保持部３が振動している場合には、液だまり２１の形成とレーザー光の照射のタイミング、および液体保持部とイオン引出電極への電圧の印加を同期させるためには、液体保持部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で行われる。同期回路を使用して、液体保持部の振動の変位信号、レーザー光の照射タイミングを制御する信号、電圧印加の制御信号の各々を同期することが望ましい。
【００６９】
本実施形態にかかるイオン化装置は、液体保持部の振動のタイミングと、イオン引出電極への電圧印可のタイミングを同期させることが望ましい。このことにより、微小物質２３が発生しておらず、液だまりのみ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、先述の液体保持部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）。また、イオン引出電極の電圧印加が定常的に行われてもよい。
【００７０】
イオン引出電極および液体保持部への電圧印可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、実施形態１と同様に、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。すなわちイオン引出電極および液体保持部への電圧印可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。
【００７１】
液だまりの形成、レーザー光の照射、イオン引出電極および液体保持部の電圧印可のタイミングを同期させるためには、液体保持部の振動、レーザー光の制御信号、電圧印可制御信号の周波数および位相を調整することで行われる。各々の信号を同期回路で同期することが望ましい。
【００７２】
本実施形態に係るイオン化装置においては、プローブの振動のタイミング、レーザー光の照射のタイミング、イオン引出電極の電圧印加、プローブの印可電圧、試料ステージの移動のタイミング、データの取得と保存のタイミング、の各種の動作タイミングを正確に調整することが好適である。そのための同期回路の実施形態を図５に示す。
【００７３】
本実施形態の装置は、基準クロックを発生させる基準クロック発生回路１０１、プローブの振動を制御する制御信号を生成するプローブ振動制御信号生成回路１０２、振動を付与する振動付与部１０３、プローブ１０４、振動を検出する振動検出装置１０５、光源を制御する制御信号を生成する光源制御信号生成回路１０６、光源１０７、イオン引出電極の電圧を制御する制御信号を生成する引出電極電圧制御信号生成回路１０８、イオン引出電極１０９、プローブの電圧を制御する制御信号を生成するプローブ電圧制御信号生成回路１１０、試料ステージの位置を制御する試料ステージ制御回路１１１、試料ステージ１１２、イオン計測器のゲート信号を生成するイオン計測器ゲート信号生成回路１１３、データ取得装置１１４で構成される。データ取得装置１１４は、イオン数計測器１１５、一次メモリ１１６、データフィルタ１１７、ストレージ１１８から構成される。
【００７４】
ここでは一例として、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を使用した場合を述べる。これらを用いることで、複数の制御回路（基準クロック生成回路１０１、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、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、試料ステージ制御回路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。
【００７５】
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、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、試料ステージ制御回路１１１、およびイオン計測器ゲート信号生成回路１１３において、各々の電圧信号が生成され、振動付与部１０３、光源１０７、イオン引出電極１０９、プローブ１０４、試料ステージ１１２、イオン計測器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。
【００７６】
まず、プローブ振動制御信号生成回路１０２では、プローブ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構成されており、この回路が駆動することで、一定の周波数でプローブを振動することができる。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、１０５の出力信号は１０２のフィードバック回路へ入力される。このような駆動機構は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。
【００７７】
１０５の出力信号は、１０６、１０８、１１０、１１１、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。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１０６、１０８、１１０、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することや、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の電圧印可のタイミング、光源１０７の光照射タイミング、イオン引出電極１０９の電圧印可のタイミング、試料ステージ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からの信号を用いることで、プローブ１０４の電圧印可のタイミング、光源１０７の光照射タイミング、イオン引出電極１０９の電圧印可のタイミング、試料ステージ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。
【００７８】
イオン数計測器ゲート信号生成回路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。イオン数計測器は通常、質量分析装置のゲート信号を断続的に受信し、ゲート信号受信後に、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。ゲート信号は、質量分析装置のイオン分離部の構成により異なる。本実施形態においては、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ることができ、質量分析ごとに特定のタイミングをゲート信号として用いることができる。
【００７９】
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、それぞれゲート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の周波数はおよそ数キロ〜数十キロヘルツ程度、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数十から数キロヘルツ程度であり、プローブの振動周波数よりも高いことが多い。
【００８０】
本実施形態では、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。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。
【００８１】
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に保存する。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、データフィルタイオン数計測器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。
【００８２】
被計測対象物の広範囲を計測する際には、試料ステージを移動させることが必要である。試料ステージ制御回路１１１は基準クロックに基づいて、試料ステージの位置を制御するための信号を生成し、試料ステージ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。試料ステージを移動させながら、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。
【００８３】
以上、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場合を述べたが、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。
【００８４】
また、実施形態は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、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、振動付与装置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】
【００８５】
１  保持台
２  試料
３  液体保持部
４  液体供給手段
５、８  電圧印加手段
６  レーザー光照射部
７  イオン引出電極
９  質量分析手段
１０  移動手段
１１  分析位置特定手段
１２  画像表示手段
２４  テイラーコーン
２５  液滴
【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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