(57)【要約】【課題】サンプルに対し略垂直上方からレーザ光を照射することにより、発生・収集されるイオン量を増加させるとともに収集されたイオンを無駄なく質量分析器に輸送することでイオンの利用効率を高め、最終的に分析感度を改善する。【解決手段】サンプルプレート３表面に直交する中心軸Ｃに沿って、イオンレンズ５、６などのイオン輸送光学系、イオントラップ７、検出部９などの質量分離・検出部を配置し、イオン光軸と中心軸Ｃとを一致させる。レーザ光源１０、レンズ１２、１３、１４を含むレーザ照射部１０は中心軸Ｃ上で、サンプルＳから最も離れた部位である検出部９よりもさらに離れた位置に配置され、レーザ光の光軸と中心軸Ｃとも一致させる。長焦点のレンズ１４から出て徐々に光束径が絞られるレーザ光は出射口７５、入射口７４などを通過し、遮られることなくサンプルＳに当たる。また、サンプルＳから放出されたイオンは屈曲されることなくイオントラップ７に導入され質量分析に供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルプレート上に載置されたサンプルにレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光の照射を受けて発生した前記サンプル由来のイオンを質量分析するための質量分離・検出部と、前記サンプルから前記質量分離・検出部までイオンを輸送するイオン輸送光学系と、を備える質量分析装置において、
前記イオン輸送光学系及び前記質量分離・検出部は、前記サンプルプレート表面に直交する中心軸に沿って、前記サンプルプレート表面から前記質量分離・検出部までイオンが進行する際のイオン光軸と前記中心軸とが一致するように、且つその一部が前記中心軸を遮ることがないように配置され、
前記レーザ照射部は、当該照射部から出射するレーザ光の光軸が前記中心軸と一致するように、前記イオン輸送光学系及び前記質量分離・検出部において前記サンプルから最も離れた部位よりもさらに離れた位置に配置されることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記レーザ照射部は、レーザ光源と、所定光束径のレーザ光をサンプル表面上で１点又は１点とみなし得る微小光束径に絞るための長焦点のレーザ光学系と、を含むことを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の質量分析装置であって、
前記レーザ照射部は、前記輸送光学系及び前記質量分離・検出部が有するイオン通過開口で、サンプルに到達するまで徐々に径が絞られる光束が遮られないようにすることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置であって、
前記イオン輸送光学系又は前記質量分離・検出部として３次元四重極型イオントラップを含み、該イオントラップのエンドキャップ電極に設けられたイオン入射口及びイオン出射口の中心が前記中心軸に一致するように該イオントラップを配置することを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、試料にレーザ光を照射して試料をイオン化するイオン源を用いた質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置のイオン源として様々なイオン化法が知られている。レーザ脱離イオン化法（ＬＤＩ＝Laser Desorption /Ionization）は、試料にレーザ光を照射し、レーザ光を吸収した物質の内部で電荷の移動を促進させてイオン化を行うものである。また、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ＝Matrix Assisted Laser Desorption /Ionization）は、レーザ光を吸収しにくい試料やタンパク質などレーザ光で損傷を受けやすい試料を分析するために、レーザ光を吸収し易く且つイオン化し易い物質をマトリクスとして試料に予め混合しておき、これにレーザ光を照射することで試料をイオン化するものである。特にＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置は、分子量の大きな高分子化合物をあまり開裂させることなく分析することが可能であり、しかも微量分析にも好適であることから、近年、生命科学などの分野で広範に利用されている。
【０００３】
例えば非特許文献１には、ＭＡＬＤＩイオン源を用いたイオントラップ飛行時間型質量分析装置の概略構成が開示されている。この装置では、レーザ光源から出射された波長337nmの紫外レーザ光が微小径に絞られてサンプルに照射される。その際に、サンプルから放出されたイオンが進行する経路を妨げないように、サンプルに直交する方向（法線方向）から数度程度の角度を有して斜め方向からレーザ光が当たるようにレーザ照射光学系が構成されている。一方、サンプルから発生するイオンはサンプルの法線方向に引き出され、イオンレンズなどのイオン輸送光学系で収束されたあとに３次元四重極型のイオントラップに導入される。
【０００４】
しかしながら、サンプルに対してレーザ光が斜めに入射した場合、サンプルからその法線方向とは異なる方向に放出されるイオンの割合が相対的に多くなる。そのため、質量分析に利用されるイオンの効率は必ずしも最良でなく、これが分析感度の低下の一因となっている。
【０００５】
質量分析に利用されるイオンの効率を上げるには、サンプルの法線方向からレーザ光を照射することが好ましい。特許文献１に記載の質量分析装置では、サンプルに対してその法線方向からレーザ光が入射するようにする一方、そのレーザ照射光学系とイオン経路との干渉を避けるために、サンプルからその法線方向に放出されたイオンを収集しつつ、質量分析部まで輸送する途中で電場によりイオン経路を屈曲させるようにしている。しかしながら、このように電場等を用いてイオンの進行を屈曲させると、その過程でイオンの損失が起こり易く、結局のところ、質量分析に供されるイオンの量が減ってしまい分析感度を上げるのは難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００７−５１４２７４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】田中耕一、ほか１名、「MALDI-QIT-TOF MSnを用いたトップダウンプロテオミクス解析法の試行」、島津評論、島津評論編集部、第６１巻、第１・２号、２００４年１０月３０日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、サンプルに対してその法線方向からイオン化のためのレーザ光を照射するとともに、サンプルからその法線方向を中心として放出されたイオンを収集し、効率よく質量分析に供することで分析感度を改善することができる質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、サンプルプレート上に載置されたサンプルにレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光の照射を受けて発生した前記サンプル由来のイオンを質量分析するための質量分離・検出部と、前記サンプルから前記質量分離・検出部までイオンを輸送するイオン輸送光学系と、を備える質量分析装置において、
前記イオン輸送光学系及び前記質量分離・検出部は、前記サンプルプレートの表面に直交する中心軸に沿って、そのサンプルプレート表面から前記質量分離・検出部までイオンが進行する際のイオン光軸と前記中心軸とが一致するように、且つその構成要素の一部が前記中心軸を遮ることがないように配置され、
前記レーザ照射部は、当該照射部から出射するレーザ光の光軸が前記中心軸と一致するように、前記イオン輸送光学系及び前記質量分離・検出部において前記サンプルから最も離れた部位よりもさらに離れた位置に配置されることを特徴としている。
【００１０】
サンプルを載置するためのサンプルプレートとしては、表面が略平面である導電性基板、略平面である表面上のサンプル載置位置に微小ウエルが形成されている導電性基板、などが用いられる。
【００１１】
また、例えばイオン輸送光学系はイオンレンズ、イオンガイドなどと称されるものであり、電場の作用により、イオンを収束させたり、イオンを加速・減速させたり、或いは、イオンを一時的に捕捉・保持したり、するものである。質量分離・検出部はイオンを質量電荷比m/zに応じて分離して検出するものであり、例えば、イオントラップと検出器との組み合わせ、飛行時間型質量分離器と検出器との組み合わせ、四重極質量フィルタと検出器との組み合わせなどが考えられる。
【００１２】
本発明に係る質量分析装置は、レーザ脱離イオン化法（ＬＤＩ）によるイオン化を行うもの、より実用的には、マトリックス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）によるイオン化を行うものに適用することができる。
【００１３】
上記レーザ照射部は、少なくとも、レーザ光源と、所定光束径のレーザ光をサンプル表面上で１点又は１点とみなし得る微小光束径に絞るための長焦点のレーザ光学系と、を含むものとすることができる。通常、イオン輸送光学系はサンプルから発生したイオンが最も高い効率で質量分離・検出部まで輸送されるように構成されるが、そうしたイオン輸送光学系が有するイオン通過開口で、サンプルに到達するまで徐々に径が絞られる光束が遮られることがないように、上記レーザ照射部は構成されるものとすることができる。
【００１４】
これによれば、レーザ照射部とサンプルとの間には、イオン輸送光学系、質量分離・検出部といったイオンを質量分析するための構成要素が配置されるが、レーザ照射部から出射されたレーザ光は、上記のような構成要素によって遮られることなくサンプルに当たる。このレーザ光の光軸とサンプルプレートの表面に直交する中心軸とが一致しているので、サンプルプレート上に載置されたサンプルにはほぼ垂直上方からレーザ光が当たることになり、サンプルからはほぼ垂直上方に向けて最も多くの量のイオンが放出される。こうして放出されたイオンは、イオン輸送光学系により効率よく収集され、質量分離・検出部に到達する。イオン光軸もサンプルプレート表面に直交する中心軸と一致しており、質量分析に供されるまでイオンの進行方向は屈曲されないので、輸送途中でのイオンの損失は少なく、より多くの量のイオンを質量分析に供することができる。
【００１５】
本発明に係る質量分析装置において、イオン輸送光学系又は質量分離・検出部として３次元四重極型イオントラップを含む場合には、該イオントラップのエンドキャップ電極に設けられたイオン入射口及びイオン出射口の中心が前記中心軸に一致するように該イオントラップを配置するようにすればよい。即ち、この構成では、レーザ照射部から出射されたレーザ光はイオン出射口から３次元四重極型イオントラップの内部に入り、そこを通り抜けイオン入射口から出てサンプルに向かう。したがって、イオン出射口を通過する際のレーザ光の光束径をイオン出射口の開口径よりも小さくしておけば、レーザ光はイオントラップにも遮られることなくサンプルに照射される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る質量分析装置によれば、サンプルに対してほぼ直交するようにレーザ光を照射することができるので、サンプル由来のイオンがその表面に直交する方向により多く放出される。また、サンプル表面上でレーザ光の照射強度がほぼ均一になるため、発生するイオン量の増加も期待できる。また、サンプルから放出されたイオンは効率良く収集され、損失を抑えつつ輸送して質量分析に供することができる。それにより、最終的に質量分析に供されるイオンの量が従来よりも増加するため、分析感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例によるＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＭＳの全体構成図。
【図２】レーザ照射光学系の設計手法を説明するための概念図。
【図３】レーザ照射光学系の設計手法を説明するための概念図。
【図４】本発明の他の実施例によるＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＴＯＦＭＳの全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施例であるＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例によるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの概略構成図である。
【００１９】
真空排気される真空チャンバ１の内部には、分析対象であるサンプルＳが載置された平板状で導電性を有するサンプルプレート３が配置され、サンプルプレート３に直交する中心軸（本発明における中心軸）Ｃに沿って、アパーチャ４、第１イオンレンズ５、ミラー８、第２イオンレンズ６、イオントラップ７、検出部９、が順に、且つ、中心軸Ｃ上を遮らず、また同軸となるように配置されている。
【００２０】
ミラー８はサンプルプレート３上のサンプルＳの表面画像を反射させるものであり、この画像は真空チャンバ１の外側に取り出されてＣＣＤカメラ１６で撮影される。この撮影画像は図示しないモニタ等に表示され、ユーザはこれによりサンプルＳの表面観察が可能である。
【００２１】
イオントラップ７は３次元四重極型のイオントラップであって、内周面が回転１葉双曲面形状を有する１個の円環状のリング電極７１と、それを挟んで対向配置された内周面が回転２葉双曲面形状を有する一対のエンドキャップ電極７２、７３とからなる。入口側エンドキャップ電極７２のほぼ中央にイオン入射口７４が、出口側エンドキャップ電極７３のほぼ中央にはイオン出射口７５が穿設されているが、イオン入射口７４及びイオン出射口７５の中心を中心軸Ｃが挿通している。また、検出部９は、イオンの通過範囲を制限するアパーチャ９１と、イオンを電子に変換するコンバージョンダイノード９２と、変換された電子を増倍して検出する２次電子増倍管９３とからなり、コンバージョンダイノード９２と２次電子増倍管９３とは中心軸Ｃを挟んで対向して配置されている。
【００２２】
真空チャンバ１にあって中心軸Ｃ上には石英ガラスなどからなる透過窓２が形成され、その透過窓２を通して、真空状態である真空チャンバ１内部と略大気圧である真空チャンバ１外部とが光学的に接続されている。サンプルＳにレーザ光を照射するためのレーザ照射部１０は、真空チャンバ１外部に配置されたレーザ光源１１、第１レンズ１２、及び第２レンズ１３と、真空チャンバ１内部に配置された第３レンズ１４とを含み、これらは全て中心軸Ｃ上に配置されている。
【００２３】
本実施例のＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＭＳの分析動作を概略的に説明する。レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、第１レンズ１２及び第２レンズ１３により所定光束径の平行光に変換され、透過窓２を透過して真空チャンバ１内に導入される。そして、第３レンズ１４により、サンプルＳ表面付近が焦点となるように光束が絞られる。レーザ光源１１からサンプルＳまで達するレーザ光の光軸は中心軸Ｃと一致している。
【００２４】
第３レンズ１４とサンプルＳとの間には、上述したように、質量分析を行うための多数の構成要素が配置されているが、中心軸Ｃ上、つまりレーザ光の光軸上にはいずれの構成要素も存在していない。また後述するように、それら構成要素において中心軸Ｃの周囲に形成される開口の径よりも、レーザ光の光束径は小さくなっている。そのため、第３レンズ１４で絞られたレーザ光は徐々にその光束径を縮小しつつ、途中で遮られることなく、サンプルＳにごく微小径で当たる。即ち、サンプルプレート３に対してその法線方向から（つまり垂直上方から）レーザ光が照射されるから、レーザ光照射位置でサンプルＳの表面がサンプルプレート３表面と略平行であるとみなせれば、サンプルＳ表面に対しても略垂直にレーザ光が照射されることになる。
【００２５】
ごく短時間のパルス的なレーザ光の照射により、サンプルＳからパケット状にイオンが放出される。実際にはイオンは様々な方向に放出されるが、上記のように法線方向からレーザ光が照射された場合、通常、法線方向に放出されるイオンの量が最も多い。ここでは、この法線方向を中心としてその周囲の所定立体角の範囲に放出されたイオンが、アパーチャ４を経て、イオンレンズ５、６で収束され、イオン入射口７４を通してイオントラップ７内空間に導入される。導入されたイオンは、リング電極７１に印加される高周波電圧により形成される高周波電場により捕捉され、イオントラップ７内に閉じ込められる。なお、このときイオンはイオントラップ７内で振動しているが、その振動の軌道中心はイオン光軸、つまり中心軸Ｃ上にある。
【００２６】
そのあと、エンドキャップ電極７２、７３に所定の電圧が印加され、特定の質量電荷比m/zを有するイオンが選択的に、イオン出射口７５を通してイオントラップ７内から排出される。排出されたイオンが検出部９に到達すると、電場により誘引されてコンバージョンダイノード９２に衝突し、コンバージョンダイノード９２から放出された電子が２次電子増倍管９３に達して増倍されて検出される。この構成では、イオントラップ７自体が質量分離部に相当するが、サンプルＳから放出されたイオンがイオントラップ７に到達するまでのイオン経路の中心、つまりイオン光軸は中心軸Ｃと一致している。即ち、この実施例のＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＭＳでは、サンプルＳに照射されるレーザ光の光軸、サンプルＳから発してイオントラップ７に達するまでのイオン光軸がともに、サンプルＳに直交する法線である中心軸Ｃに一致している。
【００２７】
サンプルプレート３の表面に対するレーザ光の照射方向がその法線方向であることにより、一般に、サンプルＳからその法線方向に最も多くの量のイオンが放出される。また、そうして生成された、相対的に多くの量のイオンを収集して輸送し、しかもイオントラップ７に導入するまでにイオンを電場などにより屈曲させたり偏向させたりすることがないので、イオンの利用効率が高い。それによって、高い分析感度を達成することができる。
【００２８】
上記のようなレーザ照射光学系及びイオン輸送光学系を実現するために、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＭＳでは、サンプルＳからみて一般に最も離れた部位である検出部９よりもさらに離れた位置で且つ中心軸Ｃ上に、レーザ照射部１０を設置している。そのレーザ照射部１０から発したレーザ光がサンプルＳに到達するまでに途中で遮られないようにするためには、例えば次のような手順でレーザ照射部１０の光学系を設計すればよい。
【００２９】
即ち、サンプルＳから検出部９までの間には、イオン輸送光学系や質量分離・検出部の構成要素が多数配置されている。図１の例の場合には、アパーチャ４、イオンレンズ５、６、ミラー８、イオントラップ７がこれに相当するものであるが、これは装置の構成によってそれぞれ異なり、その構成要素の形状も様々である。上記構成要素の中でレーザ光の光路の妨げとなるおそれのあるものの開口を、図２に例示するように、実際のサイズに従って描く。そして、サンプルプレート３表面と検出部９との間の距離よりも長い焦点距離ｆ１の光学特性を有するレンズＬを選定し、中心軸Ｃ上でサンプルプレート３表面から焦点距離ｆ１だけ離れた位置にそのレンズＬを置く。次に、全ての開口の中で、その開口の周縁端と、サンプルプレート３表面と中心軸Ｃとの交点と、を結ぶ線を引いたときに、他の全ての開口の周縁端の内側となるような線を見い出す。この線が引かれる開口が、レーザ光の光束を制限する開口である。図２では、矢印ａで示すもの、即ち、イオントラップ７のイオン出射口７５が、レーザ光の光束を制限する開口である。
【００３０】
図２に示すように、上記線をレンズＬの位置まで延伸させると、全ての光がサンプルＳに到達し得る最大の光束サイズｘ’が求められる。このｘ’よりも光束径が小さな平行光束をレンズＬに入射すれば、光軸がサンプルプレート３表面に対し法線方向で、途中で光束の一部が遮られることのないレーザ光をサンプルＳに照射することが可能である。レーザ光源１１からほぼ平行光として出射するレーザ光の光束径がｘ’以下である場合には、レーザ光源１１から出射したレーザ光をそのままレンズＬに入射させればよい。
【００３１】
これに対し、図１に示した例のように、レーザ光源１１から出射するレーザ光の光束径がｘ’を超える場合には、コリメータにより光束径を調整する。具体的には、図３に示すように、適当な焦点距離ｆaを持つレンズＡと、ｘ’／Ｘ＞ｆb／fａとなるような焦点距離ｆbを持つレンズＢと、からコリメータを構成する。ここで、Ｘはレーザ光源１１から出射するレーザ光の光束径である。そして、レーザ光源１１から適宜離れた位置にレンズＡを置き、そのレンズＡからｆａ＋ｆｂだけ離れた位置にレンズＢを置く。図３に示すように、レンズＡに光束径Ｘで平行に入射したレーザ光はレンズＡとレンズＢとの間で一旦、１点に集束され、そのあと拡がってレンズＢに入射し、光束径がｘ’以下である平行なレーザ光になる。図１では、第１レンズ１２、第２レンズ１３がレンズＡ、レンズＢに相当する。なお、図３において、レンズＡからｆａだけ離れた位置にスペーシャルフィルタを挿入してもよい。
【００３２】
図１に示した例のように、図２におけるレンズＬに相当する第３レンズ１４が真空チャンバ１内に配置されており、その位置の調整が困難である場合には、レンズＢに相当する第２レンズ１３を中心軸Ｃに沿ってその延伸方向に移動させることにより、サンプルＳ表面上でのレーザ光の光束径を調整することが可能である。一方、上記レンズＬに相当する第３レンズ１４が真空チャンバ１の外部に配置されている場合には、このレンズ１４を中心軸Ｃに沿ってその延伸方向に移動させることにより、サンプルＳ表面上でのレーザ光の光束径を調整することができる。但し、上述したようにサンプルＳ表面上でレーザ光の集光が可能であるようにレーザ照射部１０の光学系を設計した場合には、サンプルＳ表面上でのレーザ光の光束径を大きくすると、その光束の一部がイオン輸送光学系や質量分離・検出部の構成要素の一部によって遮られる場合があり得る。
【００３３】
イオン輸送光学系やイオンを質量分離・検出部などの構成要素は上記実施例に記載のものに限らない。例えば図４は本発明の別の実施例によるＭＡＬＤＩ−ＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図である。この装置は、静電場によりイオンを折り返すリフレクトロン１０１を有する反射飛行時間型質量分離器１００を質量分離器として備え、折返し飛行する際に質量電荷比に応じて分離されたイオンを検出する検出器１０２を検出部として備える。ここでは、イオントラップ７はイオンに初期エネルギーを与えて反射飛行時間型質量分離器１００に送り出すイオン出射部として機能する。
【００３４】
この実施例の構成においても、図１の構成と同様に、レーザ照射部１０は、質量分離・検出部においてサンプルプレート３から最も離れた部位であるリフレクトロン１０１よりもさらに離れた位置に配置されている。また、中心軸Ｃ上に光束を遮る構成要素は配置されておらず、レーザ照射部１０から出射されたレーザ光は全く遮られることなくサンプルＳに照射される。一方、サンプルＳからサンプルプレート３表面の法線方向及びその周囲に放出されたイオンは、途中で電場等により軌道が屈曲されることなく質量分析に供されることになる。したがって、この構成においても上記実施例と同様の効果を奏することは明らかである。
【００３５】
また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、追加、修正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】
【００３６】
１０…レーザ照射部
１１…レーザ光源
１２…第１レンズ
１３…第２レンズ
１４…第３レンズ
２…透過窓
３…サンプルプレート
４…アパーチャ
５、６…イオンレンズ
７…イオントラップ
７１…リング電極
７２…入口側エンドキャップ電極
７３…出口側エンドキャップ電極
７４…イオン入射口
７５…イオン出射口
８…ミラー
９…検出部
９１…アパーチャ
９２…コンバージョンダイノード
９３…２次電子増倍管
１６…ＣＣＤカメラ
１００…反射飛行時間型質量分離器
１０１…リフレクトロン
１０２…検出器
Ｓ…サンプル
【図１】
2011034900.tif 000003
【図２】
2011034900.tif 000004
【図３】
2011034900.tif 000005
【図４】
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