(57)【要約】【課題】質量分析計において検出対象元素の濃度分布の空間分解能を向上させること。【解決手段】サンプルセル１は、キャリアガス３０中にサンプルを保持可能である。レーザー光照射部２は、サンプル１０にレーザー光パルスを連続的に照射する。輸送管４は、サンプル１０にレーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾル２０を含むキャリアガス３０を輸送する。イオン生成部５は、輸送管４を介して供給されたエアロゾル２０を含むキャリアガス３０をプラズマ化してエアロゾル２０からイオンを生成する。質量分析部６は、検出対象元素のイオンを分離し、その量を計測して信号を取得する。演算部７は、検出された検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射により生じたエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の質量を算出し、算出した質量に基づいてサンプル１０における検出対象元素の濃度分布を取得する。【選択図】図１
2018179941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素を分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算部と、を備える、
質量分析計。
【請求項２】
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによって前記サンプルの表面を走査可能に構成される、
請求項１に記載の質量分析計。
【請求項３】
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによる前記サンプルの表面のラスタースキャンが可能に構成され、
前記演算部は、前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の二次元像を取得する、
請求項１又は２に記載の質量分析計。
【請求項４】
前記レーザー光パルスの照射回数をＮ、前記質量分析部で計測された前記検出対象元素のイオンの数をＭ、前記レーザー光パルスの照射時刻をｔｉ、前記質量分析部が前記検出対象元素のイオンを計測した時刻をξｋ、ｉを１以上Ｎ以下の整数、ｋを１以上Ｍ以下の整数とすると、
時刻ξｋに計測された信号の強度ｙ（ξｋ）と、時刻ｔｉに照射されたレーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量ｘｉとの関係は、以下の式（１）で表され、
【数１】
2018179941.tif 000023
前記演算部は、式（１）を用いて前記質量ｘｉを算出する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の質量分析計。
ただし、ｇ（ξｋ−ｔｉ）は、以下の式（２）で表される単一パルス応答関数である。ｓは、ノイズを示す項である。
【数２】
2018179941.tif 000024
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、当該質量分析計固有の予め定められた値を有する。
【請求項５】
前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の取得に先だって、
基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を検出し、
検出した信号に前記単一パルス応答関数を回帰させることにより、当該質量分析計固有の減衰定数τ１及びτ２とデッドタイムΔとを予め決定する、
請求項４に記載の質量分析計。
【請求項６】
式（２）において、ξｋ−ｔｉ＝ｔとしたとき、以下の式（３）を満たす、
【数３】
2018179941.tif 000025
請求項５に記載の質量分析計。
【請求項７】
以下の式（４）を最小化し、かつ、式（５）を満たす条件下で、前記質量ｘｉを算出する、
請求項６に記載の質量分析計。
【数４】
2018179941.tif 000026
【数５】
2018179941.tif 000027
ただし、Ｊは前記モデルと観測した信号との間の二乗誤差であり、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λはＪの値を最小化するように決定される正規化パラメータであり、式（４）に含まれるベクトル及び行列は以下の式（６）〜（８）で表される。
【数６】
2018179941.tif 000028
【数７】
2018179941.tif 000029
【数８】
2018179941.tif 000030
【請求項８】
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、を備える質量分析計において、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する、
質量分析計の信号処理方法。
【請求項９】
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記信号に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算を行うコンピュータで構成される演算部と、を備え質量分析計において、
前記演算部に、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出させる処理と、
算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する処理と、を行わせる、
プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計、質量分析計の信号処理方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機物質及び無機物質の微細構造の分析が各分野で行われている。特に、生きた細胞中に金属微粒子等が過度に偏在すると毒性を呈することがあるので、その分布と集中のメカニズムを解明することは、生物学や医学の見地から重要である。また、こうした微細な粒子は、隕石のような天然の岩石中を初めとする無機物中に不純物又はナノグレインとしても含まれている。
【０００３】
微細粒子の空間分布と元素濃度とを同時に調べる手法として、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectrometry）が搭載された透過型電子顕微鏡及びナノ二次イオンマイクロプローブ質量分析（Ｎａｎｏ−ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて、二次元分布画像及び微細粒子の組成を決定する手法が知られている。しかし、これらの手法は、生体組織やミリメートルスケールより大きな岩石標本のような巨視的なサンプルには適用することができない。
【０００４】
これに対し、巨視的なサンプルの組成分析が可能な手法として、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ：Laser Ablation - Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry）が知られている（非特許文献１）。レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法は、高感度かつ高スループットで、マクロ画像から微視的画像を生成することができる。その一方で、分解能についてはマイクロメータスケールには至らないため、微細構造の分析には一般的に制限がある。この分解能の制限については、タイムオブフライト（ＴＯＦ：Time of Flight）型の誘導結合プラズマ質量分析法によって、１μｍオーダーにまでは改善が可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Charlotte Giesen, Larissa Waentig, Thomas Mairinger, Daniela Drescher, Janina Kneipp, Peter H. Roos, Ulrich Panneab, Norbert Jakubowskib, “Iodine as an elemental marker for imaging of single cells and tissue sections by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry”, J. Anal. At. Spectrom, 2011, 26, pp. 2160-2165.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、レーザーアブレーションによって分析対象元素が含まれるエアロゾルを生成する場合、生成したエアロゾルを質量分析計へ輸送する過程で空気力学的な拡散希釈が生じる。そのため、拡散希釈による空間分解能の低下を補償するには、さらなる対策が必要となる。生成したエアロゾルを質量分析計へ輸送する機構の幾何学的設計を改善することで、拡散希釈による分解能の低下を抑制できるものの、拡散希釈自体を防止できるものではないため、その効果には限界がある。
【０００７】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様である質量分析計は、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算部と、を有するものである。
【０００９】
本発明の第２の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによって前記サンプルの表面を走査可能に構成される、ものである。
【００１０】
本発明の第３の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによる前記サンプルの表面のラスタースキャンが可能に構成され、
前記演算部は、前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の二次元像を取得する、ものである。
【００１１】
本発明の第４の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記レーザー光パルスの照射回数をＮ、前記質量分析部で計測された前記検出対象元素のイオンの数をＭ、前記レーザー光パルスの照射時刻をｔｉ、前記質量分析部が前記検出対象元素のイオンを計測した時刻をξｋ、ｉを１以上Ｎ以下の整数、ｋを１以上Ｍ以下の整数とすると、
時刻ξｋに計測された信号の強度ｙ（ξｋ）と、時刻ｔｉに照射されたレーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量ｘｉとの関係は、以下の式（１）で表され、
【数１】
2018179941.tif 000003
前記演算部は、式（１）を用いて前記質量ｘｉを算出する、ものである。
ただし、ｇ（ξｋ−ｔｉ）は、以下の式（２）で表される単一パルス応答関数である。ｓは、ノイズを示す項である。
【数２】
2018179941.tif 000004
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、当該質量分析計固有の予め定められた値を有する。
【００１２】
本発明の第５の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の取得に先だって、
基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を検出し、
検出した信号に前記単一パルス応答関数を回帰させることにより、当該質量分析計固有の減衰定数τ１及びτ２とデッドタイムΔとを予め決定する、ものである。
【００１３】
本発明の第６の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
式（２）において、ξｋ−ｔｉ＝ｔとしたとき、以下の式（３）を満たす、ものである。
【数３】
2018179941.tif 000005
【００１４】
本発明の第７の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
以下の式（４）を最小化し、かつ、式（５）を満たす条件下で、前記質量ｘｉを算出する、ものである。
【数４】
2018179941.tif 000006
【数５】
2018179941.tif 000007
ただし、Ｊは前記モデルと観測した信号との間の二乗誤差であり、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λはＪの値を最小化するように決定される正規化パラメータであり、式（４）に含まれるベクトル及び行列は以下の式（６）〜（８）で表される。
【数６】
2018179941.tif 000008
【数７】
2018179941.tif 000009
【数８】
2018179941.tif 000010
【００１５】
本発明の第８の態様である質量分析計の信号処理方法は、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、を備える質量分析計において、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する、ものである。
【００１６】
本発明の第９の態様であるプログラムは、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記信号に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算を行うコンピュータで構成される演算部と、を備え質量分析計において、
前記演算部に、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出させる処理と、
算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する処理と、を行わせる、ものである。
プログラム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、質量分析計において検出対象元素の濃度分布の空間分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１にかかる質量分析計の構成を模式的に示す図である。
【図２】輸送管の流れの流速分布を模式的に示す図である。
【図３】輸送によるエアロゾルの拡散希釈の様子を示す図である。
【図４】演算部の構成を示す図である。
【図５】レーザー光のシングルパルスに対応して質量分析部で検出される信号強度分布を示す図である。
【図６】連続的にレーザー光パルスを照射する場合に質量分析部で検出される信号の分布を示す図である。
【図７】質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイルを示す図である。
【図８】質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図７）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す図である。
【図９】図７に示す分布の網掛け部分を拡大した図である。
【図１０】質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図９）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す図である。
【図１１】サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域の光学顕微鏡像、非負デコンボリューション法を適用していない状態の信号強度分布、及び、非負デコンボリューション法の適用後の信号強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００２０】
実施の形態１
実施の形態１にかかる質量分析計について説明する。実施の形態１にかかる質量分析計は、レーザーアブレーション質量分析計として、より詳しくはレーザーアブレーション誘導結合プラズマ（ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma）質量分析計として構成される。図１に、実施の形態１にかかる質量分析計１００の構成を模式的に示す。
【００２１】
質量分析計１００は、サンプルセル１、レーザー光照射部２、ガス供給管３、輸送管４、イオン生成部５、質量分析部６及び演算部７を有する。
【００２２】
サンプルセル１は、内部空間にサンプル１０を保持可能に構成される。この例では、サンプルセル１は、例えば上面が光を透過させる部材で構成され、例えば図１のＺ方向から照射されたレーザー光２Ａがサンプル１０に到達可能に構成される。
【００２３】
ガス供給管３は、サンプルセル１に外部からキャリアガス３０を供給する。キャリアガス３０としては、例えばヘリウム（Ｈｅ）が用いられる。
【００２４】
レーザー光照射部２は、サンプルセル１内に保持されたサンプル１０にレーザー光のパルスを照射可能に構成される。このときのレーザー光パルスのパルス幅は、例えば５〜１０［ｎｓｅｃ］である。また、レーザー光照射部２は、レーザー光パルスでサンプル表面をＸ−Ｙ平面内で走査、すなわちラスタースキャンすることができる。なお、このＸ−Ｙ平面内におけるレーザー光パルスのラスタースキャンは、レーザー光照射部２を移動させ、又は、レーザー光２Ａの出射方向を変化させることで実現してもよいし、サンプルセル１に対するレーザー光照射部２の位置を固定し、サンプル１０が保持されたステージ（不図示）をＸ方向及びＹ方向の一方又は両方に移動させることで実現してもよい。
【００２５】
サンプル１０にレーザー光パルスが照射されると、いわゆるレーザーアブレーションによりエアロゾル２０が生じる。具体的には、レーザー光パルスが照射されたサンプル１０の表面層がレーザー光励起による振動で分子間の結合が切られるか、あるいは振動により発生した高温により蒸発するなどして発生した原子、分子及びこれらのクラスターからなるエアロゾル２０が生じる。このエアロゾル２０は、キャリアガス３０によって、輸送管４を介してイオン生成部５へ輸送される。レーザーアブレーションによって生じるエアロゾル２０は、例えば１０〜５００ｎｍの直径（中央値は、１００〜１５０ｎｍ）を有する懸濁物として、キャリアガス３０中に含まれる。
【００２６】
輸送管４は、例えば直径が４ｍｍの管である。輸送管４は、キャリアガス３０とともに輸送管４を流れるエアロゾル２０の拡散希釈及びウォッシュアウトが層流の状態で生じるように構成される。輸送管４の内壁面近傍ではガスの流速が遅くなるので、輸送管４の中では流速ｖに分布が生じる。図２に、輸送管４の流れの流速分布を模式的に示す。この流速分布と拡散とにより、エアロゾル２０が輸送管４によって輸送されるにつれて、エアロゾル２０に分布が生じ、希釈される。
【００２７】
図３に、輸送によるエアロゾル２０の拡散希釈の様子を示す。図１に示すように、領域Ａは輸送管４のサンプルセル１側の入り口付近であり、領域Ｂは輸送管４の中間付近であり、領域Ｃは輸送管４のイオン生成部５側の出口付近である。図３からわかるように、エアロゾル２０はサンプルセル１で発生し、その直後の領域Ａでは未だ拡散することなく分布している。領域Ｂでは、流速差及び拡散によって、エアロゾル２０が流れ方向に分布している。領域Ｃでは、エアロゾル２０が更に拡散し、流れ方向の広い範囲に分布が広がってしまう。
【００２８】
イオン生成部５は、輸送管４を通じて、レーザーアブレーションで蒸発したエアロゾル２０を含むガスが供給される。このとき、イオン生成部５でのガスのプラズマ化を実現するため、メイクアップガス３１が一般に含まれる。メイクアップガス３１としては一般にアルゴンガスが用いられる。アルゴンガスは、ガス供給管３によってサンプルセル１にキャリアガス３０とともに供給されてもよいし、サンプルセル１とイオン生成部５との間で輸送管４に供給されてもよい。イオン生成部５は、供給されたガスに高周波磁場を印加して誘導結合プラズマを発生させる、これにより、レーザーアブレーションで蒸発したエアロゾル２０がイオン化される。イオン化されたエアロゾル２０を含むガスは、例えばイオンレンズ（不図示）によって引き出されて、質量分析部６へ向けて収束される。
【００２９】
質量分析部６は、エアロゾル２０から生じたイオンのうちで検出対象元素のイオンを質量分離し、分離したイオンの量（すなわち数）を計測することで信号を生成する。計測は、後述するように、所定の間隔で行われる。このとき、質量分析部６は、分離したイオンのカウント数を信号強度として取得する。取得した信号は、演算部７に出力される。
【００３０】
演算部７は、質量分析部６が生成した信号に対して信号処理を行い、サンプル１０における検出対象元素の濃度分布を取得する。
【００３１】
演算部７は、質量分析部６での分析結果を、サンプルセル１におけるサンプル１０のレーザー光の照射位置と時間的に同期させる。換言すれば、演算部７は、質量分析により得られた各計測時刻における検出イオンの信号強度をレーザー光パルスの照射タイミング、すなわち照射位置と関連付ける。これにより、検出イオンの信号強度のＸ−Ｙ平面における二次元像、すなわち、検出対象とした元素の二次元濃度分布を取得することができる。
【００３２】
演算部７の構成を図４に示す。演算部７は、制御部７１、メモリ７２、信号処理部７３及び像生成部７４を有する。制御部７１は、レーザー光照射部２の動作を制御信号ＣＯＮにより制御可能に構成される。レーザー光照射部２が照射するレーザー光の強度、パルス間隔、パルスの照射回数等の情報ＤＡＴ１は、例えばメモリ７２に予め格納されており、制御部７１は、必要応じてこれらの情報ＤＡＴ１をメモリ７２から読み出し、レーザー光照射部２の動作の制御に用いることができる。
【００３３】
信号処理部７３は、質量分析部６で検出された信号ＳＩＧが入力される。そして、信号処理部７３は、後述する非負デコンボリューション（ＮＤ：Non-negative Deconvolution）法を用いた信号処理を入力された信号に対して行い、レーザー光パルスのそれぞれが照射されたことによって生じたエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の質量（図４の信号ＳＩＧ＿ＮＤ）を算出することができる。このとき、信号処理に必要なパラメータを示す情報ＤＡＴ２は、は予めメモリ７２に格納されており、信号処理部７３は必要に応じてメモリ７２から情報ＤＡＴ２を読み出すことができる。
【００３４】
像生成部７４は、信号処理部７３で算出された各レーザー光パルスに対応する検出対象元素の質量（図４の信号ＳＩＧ＿ＮＤ）を、パルスが照射された位置と関連付け、二次元平面上にプロットする。これにより、像生成部７４は、サンプルの表面における検出対象元素の濃度分布（図４の符号ＩＭＧ）を取得することができる。例えば、サンプルのパルス照射位置に関する情報ＤＡＴ３は予めメモリ７２に格納されており、像生成部７４は、必要に応じてメモリ７２から情報ＤＡＴ３を読み出すことができる。
【００３５】
なお、演算部７の動作の詳細については、別途説明する。
【００３６】
次いで、質量分析部６での検出結果について検討する。質量分析部６での検出結果は、図３の領域Ｃに示すように、エアロゾル２０の分布が拡散希釈により広がっている。そのため、ある時刻にレーザー光が照射されることで生じたエアロゾル２０に対応して検出される信号は、急峻なピークを有する分布ではなく、最大値をとってから時間の経過とともに徐々に減衰してゆく分布を有することとなる。図５に、レーザー光のシングルパルスに対応して質量分析部６で検出される信号強度分布を示す。図５に示すように、５〜１０［ｎｓｅｃ］のパルス幅のシングルパルスを照射したにもかかわらず、輸送過程の拡散希釈により、信号の検出範囲が５０００ｍｓにまで広がってしまうことが理解できる。
【００３７】
また、レーザー光をパルス状に連続的に照射すると、これらの時間的分布を有する信号が連続的に検出される。図６に、連続的にレーザー光パルスを照射する場合に質量分析部６で検出される信号の分布を示す。上記したとおり、１つのパルスに対応する検出信号の分布は５０００ｍｓ程度の範囲に広がるため、パルス間の間隔が短い場合には、複数のパルスに対応する複数の信号分布（図６の破線で示す波形）に重なりが生じ、複数の信号分布の積分信号（図６の実線で示す波形）が検出されてしまう。図６では、パルスの照射時刻を×で表示している。このため、各パルスに対応する信号が埋没してしまい、結果として信号強度の二次元像の空間分解能が低下してしまう。
【００３８】
これを解決するには、輸送管４の直径を小さくして輸送管壁面におけるガスの相対的流速低下を抑制するなど、質量分析計の物理的構成を改善することが考え得る。しかしながら、境界層による流速分布は必然的に生じるため、物理的構成を改善したとしても、エアロゾル２０の拡散希釈の抑制には限界がある。
【００３９】
そこで、本実施の携帯にかかる質量分析計１００では、演算部７における信号処理により、サンプルのＸ−Ｙ平面における二次元像の空間分解能を向上させる。以下では、輸送管４を流れるガスによるエアロゾル２０の輸送を、層流における線形動的モデルを用いて表現する。
【００４０】
ここで、レーザー光の単一パルスによって生じる、時刻ｔにおける信号強度ｙ（ｔ）を以下の式（９）のモデルで表す。
【数９】
2018179941.tif 000011
ただし、ｘは、レーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾル２０の時刻ｔ＝０における全質量を示す。ｇ（ｔ）は、輸送中のエアロゾル２０の拡散希釈及びウォッシュアウトの時間的プロファイルを表すシングルパルス応答関数である。
【００４１】
このシングルパルス応答関数は、以下の式（１０）で表される。
【数１０】
2018179941.tif 000012
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、装置固有の予め定められた値を有する。なお、サンプル中の元素の量を保存するため、ｇ（ｔ）は以下の式（１１）を満たすように設定される。
【数１１】
2018179941.tif 000013
【００４２】
ｇ（ｔ）に含まれるパラメータτ１、τ２及びΔは、サンプル１０の二次元像を取得する前の準備実験又は校正作業として、基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して信号を検出し、最小自乗法を用いてフィッティングすることで求めることができる。ｇ（ｔ）に含まれるパラメータτ１、τ２及びΔは、質量分析計及び検出対象元素に対して固有の値となる。したがって、この準備実験又は校正作業は、質量分析計ごとに、かつ、検出対象元素ごとに行う必要がある。
【００４３】
次いで、演算部７の信号処理について詳しく説明する。サンプル１０の検出対象元素の濃度分布を示す二次元像を取得する場合、サンプル１０にレーザー光パルスを連続的に照射した状態で信号強度を測定する。このときのレーザー光パルスの照射は、制御部７１によって制御される。この場合、上述の図６に示したような信号分布が得られる。ここで、ラスタースキャンによるレーザー光パルスの照射回数をＮ（Ｎは１以上の整数）としたとき、時刻（ｔ）における信号強度ｙ（ｔ）は、レーザー光のシングルパルスに対応する式（９）のモデルの重ね合わせとして、以下の式（１２）で表される。
【数１２】
2018179941.tif 000014
ただし、ｘｉは、ｉ（iは、１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）番目のレーザー光パルスによって生じたエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の時刻ｔｉにおける全質量である。
【００４４】
ここで、信号強度ｙ（ｔ）の計測時刻をξｋ（ｋは、１≦ｋ≦Ｍを満たす整数、ただし、Ｍは１以上の整数であり、計測回数である）とすると、Ｍ回取得された信号強度を式（１３）で示すベクトルで表記できる。
【数１３】
2018179941.tif 000015
【００４５】
また、上記のｘｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は、以下の式（１４）で示すベクトルで表記できる。
【数１４】
2018179941.tif 000016
【００４６】
ξｋ、ｔiのそれぞれに対応する関数ｇ（ｔ）は、式（１０）より、以下の式（１５）で表記できる。
【数１５】
2018179941.tif 000017
以上より、式（１５）で示される応答関数ｇ（ξｋ−ｔｉ）を要素とする行列Ｇを用いると、以下の式（１６）が成立する。
【数１６】
2018179941.tif 000018
ただし、ｓはノイズを示すベクトルである。式（１５）より、行列Ｇは以下の式（１７）で表される。
【数１７】
2018179941.tif 000019
よって、式（１６）は、以下の式（１８）となる。
【数１８】
2018179941.tif 000020
【００４７】
しかし、行列Ｇはフルランクではないので、式（１８）は不定となり、このままでは解を得ることができない。そこで、本実施の形態では、質量分析計の特性から以下の条件を導入する。
【００４８】
まず、式（１８）に対する正則化について、以下の式（１９）が成立する。本実施の形態では、式（１９）で示すモデルと観測した信号との間の二乗誤差Ｊが最小となる条件下で、式（１８）が解かれるものとする。
【数１９】
2018179941.tif 000021
ただし、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λは正規化パラメータである。ここでは、λは、Ｊの値を最小化するように決定される。
【００４９】
Ｌ２ノルム正規化項に加えて、さらに、エアロゾル２０に含まれる検出対象元素の全質量を示すｘｉは負の値となることはないという制約を課す。この制約は、以下の式（２０）で表される。
【数２０】
2018179941.tif 000022
【００５０】
上記の式（１９）及び（２０）で示す条件を式（１８）に課した上で、質量ｘｉをそれぞれ求める本手法を、非負デコンボリューション法と称する。信号処理部７３は、非負デコンボリューション法を用いた信号処理を行うことで、レーザー光パルスのそれぞれによって蒸発したエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の全質量ｘｉを求めることができる。つまり、上述したように、拡散希釈により広がった分布を有する検出信号を非負デコンボリューション法で信号処理することで、レーザー光パルスのそれぞれが照射された時刻ｔｉにキャリアガス中に放出された検出対象元素の質量ｘｉを精度よく見積もることができる。そして、像生成部７４が、各パルスに対応して算出された質量ｘｉをプロットすることで、輸送による拡散希釈の影響を除去した検出対象元素の二次元濃度分布を取得することができる。
【００５１】
以下、質量分析計１００における非負デコンボリューション法を用いた二次元像取得の有利性について検証する。まず、質量分析計１００を用いて、隕石サンプルに含まれるイリジウム（Ｉｒ）ナノ粒子を測定した。ここでは、隕石のサンプルをスライスし、エポキシ樹脂上にマウントして表面を研磨した。レーザー光パルスの繰り返し率は、０．００４［ｓｅｃ／ｐｕｌｓｅ］、すなわち２５０Ｈｚである。信号の計測の間隔は、０．００４［ｓｅｃ／ｐｕｌｓｅ］であり、すなわち計測の周波数は２５０Ｈｚである。レーザー光の走査速度は２［μｍ／ｓｅｃ］である。ｇ（ｔ）のパラメータは、τ１＝０．８７６２［ｓｅｃ］、τ２＝０．８１８７［ｓｅｃ］、Δ＝０．３６６５とした。この条件で、サンプル上の約１４００μｍを直線状に走査し、検出対象元素であるイリジウムの信号強度の線プロファイルを取得した。
【００５２】
図７に、質量分析部６が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイルを示す。図７に示す分布は、質量分析部６が検出した時点では、非負デコンボリューション法による信号処理が行われていない。なお、高い周波数で計測を行うため、信号強度は量子化されている。また、図９に、図７に示す分布の網掛け部を拡大した図を示す。
【００５３】
図８に、質量分析部６が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図７）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す。なお、高い周波数で計測を行うため、信号強度は量子化されている。図８に示す分布は、図７に示す分布と比べて、各パルスに対応する信号強度が分離されるため、ピークが明確に分離しており、かつ、量子化されパルス状になった観測信号から連続分布のピーク信号が検出されている。観測信号と処理後の信号とはピーク強度が異なっているが、イオンの総量は保存されている。
【００５４】
図１０に、図９に示す信号分布を非負デコンボリューション法によって処理するに当たり、一般化誤差（ＧＥ）とλの値との関係を併せて表示している。ここでは、一般化誤差を最小にするλ＝０．００３１６を用いて、信号処理を行った。図１０に示すように、信号を量子化した状態でも非負デコンボリューション法が好適に適用することができ、高い分解能を実現できることが確認できた。また、図１０には、１０２０［μｍ］付近のピークを拡大して表示したが、１μｍよりも小さな半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）を有する急峻なピークが得られていることがわかる。これにより、サブミクロンの、すなわち１μｍよりも小さな分解能を有する像を得ることができる。
【００５５】
次に、サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域からイリジウム（Ｉｒ）の分布像を取得した。図１１に、サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域の光学顕微鏡像、非負デコンボリューション法を適用していない状態の信号強度分布、及び、非負デコンボリューション法の適用後の信号強度分布を示す。
【００５６】
図１１に示すように、非負デコンボリューション法の適用後の二次元像は、非負デコンボリューション法を適用していない状態の二次元像と比べて、像の輪郭が明確になっており、像の鮮鋭化が実現されていることが理解できる。
【００５７】
以上説明したように、実施の形態１にかかる質量分析計１００によれば、レーザーアブレーションによって生じたエアロゾル２０中の粒子をＩＣＰ質量分析計で検出し、非負デコンボリューション法によって検出結果に含まれるエアロゾル２０の拡散希釈の影響を低減することで、より分解能が高い２次元イメージングを実現することができる。
【００５８】
また、非負デコンボリューションは、質量分析計の物理的構成を変更することなく、一般的な質量分析計での検出結果に適用することが可能である。さらに、非負デコンボリューションは、細胞から組織に至る有機体や無機鉱物など、分析対象となるサンプルの種類によらず適用することが可能である。すなわち、本実施の携帯にかかる非負デコンボリューション法による信号処理は、汎用性が高い質量分析手法である。
【００５９】
また、上述したように、準備実験又は校正作業を質量分析計ごとに、かつ、検出対象元素ごとに行うことで、異なる質量分析計、異なる検出対象元素に対しても非負デコンボリューション法を容易に適用することができる。
【００６０】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述では、隕石サンプルの組成分析について説明したが、生体試料などの有機体など、他のサンプルの分析を行うこともできる。また、サンプル自体の組成分析のみならず、物体に付着した１μｍ以下の微粒子の検出や組成分析を行うことも可能である。
【００６１】
上述の実施の形態では、演算部７は像生成部７４を有するものとして説明したが、これは例示に過ぎず、信号処理部７３で算出された各レーザー光パルスに対応する検出対象元素の質量に基づいてサンプルの表面における検出対象元素の濃度分布を取得することは、他の構成においても実現することが可能である。例えば、信号処理部７３に像生成部７４の機能を併合してもよい。または、像生成部７４を含む、画像処理能力が高い信号処理装置を演算部７とは別に設けてもよい。
【００６２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６３】
１  サンプルセル
２  レーザー光照射部
２Ａ  レーザー光
３  ガス供給管
４  輸送管
５  イオン生成部
６  質量分析部
７  演算部
１０  サンプル
２０  エアロゾル
３０  キャリアガス
３１  メイクアップガス
７１  制御部
７２  メモリ
７３  信号処理部
７４  像生成部
１００  質量分析計
【図１】
2018179941.tif 000031
【図２】
2018179941.tif 000032
【図３】
2018179941.tif 000033
【図４】
2018179941.tif 000034
【図５】
2018179941.tif 000035
【図６】
2018179941.tif 000036
【図７】
2018179941.tif 000037
【図８】
2018179941.tif 000038
【図９】
2018179941.tif 000039
【図１０】
2018179941.tif 000040
【図１１】
2018179941.tif 000041