(57)【要約】【課題】  質量電荷比の測定精度が低下することを抑制しつつ、投影倍率を変更できる投影型の荷電粒子光学系を提供する。【解決手段】  本発明に係る投影型の荷電粒子光学系は、試料に対向する荷電粒子を通過させるための開口部を有する第１の電極と、当該第１の電極に対して当該試料の反対側に設置された荷電粒子を通過させるための開口部を有する第２の電極と、当該試料から放出されたのち当該第２の電極を通過した荷電粒子が入射する内部に実質的な等電位空間を有するフライトチューブ電極を備え、  荷電粒子の進行経路上の少なくとも２以上の位置に主平面を形成することを特徴とするものである。【選択図】  図１
2015181098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対向するように配置され、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第１の電極と、
当該第１の電極に対して当該試料の反対側に配置され、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第２の電極と、
当該試料から放出されたのち当該第１および第２の電極を通過した荷電粒子が入射するための、内部に実質的な等電位空間を形成するフライトチューブ電極と、
を備え、
荷電粒子の進行経路上の少なくとも２以上の位置に主平面を形成することを特徴とする投影型の荷電粒子光学系。
【請求項２】
前記第１および第２の少なくともいずれかの電極は、開口部を頂部とする中空円錐であることを特徴とする請求項１項に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項３】
前記試料と前記第１、２およびフライトチューブ電極のいずれかの電極との距離が可変であることを特徴とする請求項１または２に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項４】
前記第１と前記第２の電極間の電位差が、前記試料と当該第１の電極との電位差よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項５】
前記第２の電極と前記フライトチューブ電極との間に荷電粒子を通過させるための開口部を有する第３の電極をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項６】
前記第１と前記第２の電極間の電位差が前記第２と前記第３の電極間の電位差に比べて小さい第１の動作モードと、当該第２と当該第３の電極間の電位差が当該第１と当該第２の電極間の電位差に比べて小さい第２の動作モードと、を有することを特徴とする請求項５に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項７】
前記第３の電極と前記フライトチューブ電極との間に荷電粒子を通過させるための開口部を有する第４の電極を少なくとも備えることを特徴とする請求項５または６に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項８】
前記第４の電極と前記フライトチューブ電極との間に荷電粒子を通過させるための開口部を有する第５の電極を少なくとも備えることを特徴とする請求項７に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項９】
前記フライトチューブ電極に荷電粒子が入射する端部に開口部を有する板状の部分を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の投影型の荷電粒子光学系。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の投影型の荷電粒子光学系と、前記フライトチューブ電極を通過した荷電粒子を検出する位置・時間敏感型の検出器とを有し、当該検出器の表面には荷電粒子が結像されるとともに当該荷電粒子が検出された時刻が記録されることを特徴とする飛行時間型質量分析器。
【請求項１１】
前記検出器において荷電粒子が入射する検出面と、前記フライトチューブ電極との間には、荷電粒子の運動エネルギーを増加する電位差を有することを特徴とする請求項１０に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の飛行時間型質量分析器と、試料の表面からパルス的に荷電粒子を発生させるパルス荷電粒子源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１３】
前記パルス荷電粒子源はイオンビームであること特徴とする請求項１２に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１４】
前記イオンビームはクラスターイオンビームであること特徴とする請求項１３に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１５】
前記パルス荷電粒子源は電磁波であること特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１６】
前記パルス荷電粒子源が試料の表面から荷電粒子を発生させる領域のサイズは、前記第１の電極の有する前記開口部のサイズと同等あるいはそれより大きいことを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１７】
試料に対向するように配置された、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第１の電極と、
当該第１の電極に対して当該試料の反対側に設置された、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第２の電極と、
当該試料から放出されたのち当該第１および第２の電極を通過した荷電粒子が入射するための、内部に実質的な等電位空間を有するフライトチューブ電極と、を備える投影型の荷電粒子光学系の荷電粒子の投影方法であって、
荷電粒子の進行経路上の第１の位置に主平面を形成するステップと、
荷電粒子の進行経路上の当該第１の位置とは異なる少なくとも第２の位置に主平面を形成するステップと、
を備えることを特徴とする荷電粒子の投影方法。
【請求項１８】
前記第２の電極と前記フライトチューブ電極間に設置された、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第３の電極をさらに有し、前記第１、第２および第３の電極における各電位を変えることで、前記主平面が形成される位置を変更する請求項１７に記載の荷電粒子の投影方法。
【請求項１９】
前記第３の電極と前記フライトチューブ電極との間に荷電粒子を通過させるための開口部を有する第４の電極をさらに有し、前記第１乃至第４の電極における各電位を変えることで、前記主平面が形成される位置を変更する請求項１８に記載の荷電粒子の投影方法。
【請求項２０】
前記第４の電極と前記フライトチューブ電極との間に荷電粒子を通過させるための開口部を有する第５の電極をさらに有し、前記第１乃至第５の電極における各電位を変えることで、前記主平面が形成される位置を変更する請求項１９に記載の荷電粒子の投影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料の少なくとも一部をイオン化し、生成したイオンの飛行時間を測定することにより質量分析を行う飛行時間型質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
病理研究や創薬などの分野における試料の物質分布を検出する手法として、「イメージング質量分析」が注目を集めている。一般に質量分析とは、レーザー光、イオン、または電子等を照射することによってイオン化した試料を質量電荷比によって分離し、質量電荷比とその検出強度からなるスペクトルを得る方法である。イメージング質量分析においては、測定対象物（試料）の表面を二次元的に質量分析し、それぞれの質量電荷比に対応する物質の二次元的な検出強度の分布を得ることにより、試料の表面における各物質の分布情報を得る。イメージング質量分析によれば、タンパク質などの生体分子や薬剤分子などの同定が可能なうえ、その空間的分布を高い空間分解能で測定することができる。
【０００３】
試料からイオンを生成する手段としてはレーザーまたはイオン等の荷電粒子ビームが用いられるが、それらを１次ビームと総称する。また１次ビームをイオンビーム（１次イオンビーム）とした場合は、発生したイオンは２次イオンと呼ばれ、当該２次イオンを検出手法は２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）として知られている。また、１次ビームとしてレーザーを用いる例としては、マトリックスに混ぜて結晶化した試料にパルス化されレーザー光を照射してイオン化するマトリックス支援レーザー脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）が知られている。
【０００４】
イオン化した試料を質量電荷比によって分離して検出する方法としては、タンパク質等の質量の大きい分子の検出に適した飛行時間型が採用される場合が多い。飛行時間型質量分析装置では、試料の表面でパルス的にイオンを生成し電場で加速する、または、イオンを真空中でパルス的に電場により加速する。質量電荷比によってイオンの飛行速度は異なるため、試料からイオンが放出されてから検出装置まで一定距離を飛行するために要する時間（いわゆる飛行時間）を計測することで、当該イオンの質量電荷比を測定することができる。
【０００５】
また、イメージング質量分析には走査型と投影型の２つの手法がある。
【０００６】
走査型は、試料上の微小領域（１次ビームのビーム径に依存する）を順次質量分析していき、質量分析の結果と当該微小領域の位置情報から物質分布を再構成する方法である。したがって空間分解能は、１次ビームのビーム径や、走査する際の１次ビームの位置精度によって決まる。
【０００７】
投影型では、試料を１次ビームで照射することによりイオン化し、生成したイオンが当該検出装置に到達した時間と、検出装置の検出面におけるイオンの到達位置とを、位置・時間敏感型の検出器によって検出する。さらに、当該イオンを検出器上で結像させる投影型の荷電粒子光学系を設置することで、検出されたイオンの質量および試料の表面における当該イオンの位置を同時に検出し、試料に含まれる物質の空間分布を測定することができる。投影型の荷電粒子光学系は静電レンズや磁場型レンズにより構成される。
【０００８】
投影型の荷電粒子光学系としては静電レンズが用いられることが多い（特許文献１）。静電レンズは、電場によってイオンを収束し、当該イオンを検出器上で結像させる。投影型の空間分解能は、検出面におけるイオン到達位置の測定精度（位置分解能）や、荷電粒子光学系の倍率や収差等により決まる。
【０００９】
病理研究や創薬などの分野では、細胞や微細構造を観測する際に、ミクロンオーダーの微細な構造を観察する必要がある。その半面、生体組織を観測する際には数ミリから数センチメートル程度の広い範囲を測定する必要がある。このことから、前者に着目する際は空間分解能の高い条件（高倍率）で測定を行い、後者に着目する際には空間分解能は低いものの測定範囲の広い（低倍率）条件で測定を行うよう、倍率を切り替えることが有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２５１１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
投影イメージング質量分析装置において、高倍率および低倍率の測定を行うためには、投影型の荷電粒子光学系の倍率を変更することが考えられる。投影型の荷電粒子光学系は引出し電極や静電レンズで構成され、各々の間に形成される電場が全体として凸レンズとして機能する。当該凸レンズではイオンの軌道は１または２以上の電場により屈折するが、当該凸レンズの屈折作用を、まとめて一度の屈折と見なしたときの仮想的な屈折面を本明細書では主平面と呼ぶ。また、引出し電極や静電レンズに印加される電圧は、荷電粒子光学系全体として、適切に結像するよう設計される。
【００１２】
引出し電極や静電レンズに印加された電圧を変更すると、各々の間に形成される電場も変化するため、荷電粒子光学系の主平面の位置を荷電粒子光学系の軸に沿って変化させることができる。例えば、主平面の位置を測定対象物（試料）に近づけると倍率は増大し、逆に主平面の位置を検出器に近づけると倍率は低下する。かかる調整は、投影型の荷電粒子光学系の焦点距離を変化させることでもある。したがって、それらの電圧を適切に調整することにより、イオン像を検出器上で結像させ、かつ主平面の位置の変化に応じて倍率を調整することもできる。
【００１３】
一方、飛行時間型質量分析装置では、引出し電極等によって適当な電場で加速されたイオンが、適当な電位に設定されたフライトチューブ電極に入射し、適当な距離を等速運動してから、検収器で検出される。イオンが加速によって獲得する運動エネルギーは、当該電場が一定であれば、イオンの質量電荷比に依らず一定である。フライトチューブ電極の内部では、その少なくともその一部では、空間内の電位が一定になった空間（等電位空間）になっている。等電位空間ではイオンは、その飛行方向に対しても、また飛行方向に垂直方向にも、等速運動を行う。
【００１４】
フライトチューブ電極内部に等電位空間を形成させる理由は、以下の通りである。飛行時間型質量分析装置は、同一の運動エネルギーを有するイオンの飛行速度が質量電荷比ごとに異なること利用するため、フライトチューブ電極内部を飛行するイオンの運動エネルギーが変化しないことが望ましい。しかし、フライトチューブ電極内部の電位が変化すると、イオンの運動エネルギーも変化するため、イオンの質量電荷比と飛行時間の関係も変化してしまう。その結果、精度良く質量電荷比を求めることが難しくなるため、実質的にフライトチューブ電極内部の電位が一定となった実質的な等電位空間として扱えることが望ましい。尚、フライトチューブ電極内部の電位を一定にするためには、フライトチューブ電極自体の電位を一定にしても良いが、フライトチューブ電極の外部の電位による影響も考慮する必要がある。
【００１５】
ここで、従来の飛行時間型の投影イメージング質量分析装置において（図２（ａ））、投影光学系の倍率を変更するために主平面ＰＰの位置を調整することを考える。高倍率の条件（図２（ｂ）および（ｄ））では、引出し電極４１と第１の投影電極４２との間に強い電場が生じており、第１の投影電極４２のフライトチューブ電極４５側の近傍に主平面ＰＰＨが形成される。一方、低倍率の条件では、第１の投影電極４２とフライトチューブ電極４５間の電場が、引出し電極４１と第１の投影電極４２間の電場よりも大きくなるよう各電極の電圧を調整することで、主平面を検出器の方向へ移動させる（（図２（ｃ））。その際、図２（ｅ）に示すように、フライトチューブ電極４５内の等電位線の間隔が図２（ｄ）の場合に比べて狭くなっている。つまり、フライトチューブ電極４５内に漏れ出す電場が大きくなるため、フライトチューブ電極４５内の電位が変化し、イオンの飛行速度が変化してしまう。その結果、上記の理由から倍率を変更すると質量電荷比の測定精度が低下するという問題が生じた。
【００１６】
かかるように、従来の飛行時間型の投影イメージング質量分析装置では、質量電荷比の測定精度が低下することを抑制しつつ投影型の荷電粒子光学系の投影倍率を変更するという課題があった。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑み、投影倍率を変更しても、質量電荷比を精度良く測定できる投影イメージング質量分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る投影型の荷電粒子光学系は、試料に対向するように配置され、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第１の電極と、当該第１の電極に対して当該試料の反対側に配置され、荷電粒子を通過させるための開口部を有する第２の電極と、当該試料から放出されたのち当該第１および第２の電極を通過した荷電粒子が入射するための、内部に実質的な等電位空間を形成するフライトチューブ電極と、を備え、荷電粒子の進行経路上の少なくとも２以上の位置に主平面を形成する
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかる投影型の荷電粒子光学系よれば、投影倍率を変更しても、質量電荷比を精度良く測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）本発明による投影イメージング質量分析装置。（ｂ）第１の実施形態における投影型の荷電粒子光学系。（ｃ）高倍率モードにおける各電極の電位。（ｄ）低倍率モードにおける各電極の電位。（ｅ）アパーチャー付きフライトチューブ電極を備える投影型の荷電粒子光学系。
【図２】（ａ）従来の投影イメージング質量分析装置。（ｂ）高倍率条件におけるイオン光学シミュレーション結果。（ｃ）低倍率条件におけるイオン光学シミュレーション結果。（ｄ）高倍率条件における電位分布。（ｅ）低倍率条件における電位分布。
【図３】（ａ）第１の実施形態における高倍率モードのイオン光学シミュレーション結果。（ｂ）高倍率モードにおける試料近傍のイオン光学シミュレーション結果。（ｃ）高倍率モードにおける主平面ＰＰＨの位置。（ｄ）高倍率モードにおける電位分布。
【図４】（ａ）第１の実施形態における低倍率モードのイオン光学シミュレーション結果。（ｂ）低倍率モードにおける試料近傍のイオン光学シミュレーション結果。（ｃ）低倍率モードにおける電位分布。
【図５】（ａ）第２の実施形態における高倍率モードのイオン光学シミュレーション結果。（ｂ）低倍率モードにおけるイオン光学シミュレーション結果。（ｃ）中倍率モードにおけるイオン光学シミュレーション結果。（ｄ）高倍率モードにおける電位分布。（ｅ）低倍率モードにおける電位分布。（ｆ）中倍率モードにおける電位分布。
【図６】（ａ）円錐電極の模式図。（ｂ）アパーチャー電極の模式図。（ｃ）円筒型のフライトチューブ電極。（ｄ）複数の円筒からなるフライトチューブ電極。（ｅ）アパーチャー電極からなるフライトチューブ電極。（ｆ）第３の実施形態における投影イメージング質量分析装置。（ｇ）第４の実施形態における投影型の荷電粒子光学系。
【図７】（ａ）第４の実施形態における高倍率モードのイオン光学シミュレーション結果。（ｂ）低倍率モードにおけるイオン光学シミュレーション結果。（ｃ）高倍率モードにおける電位分布。（ｄ）低倍率モードにおける電位分布。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
本発明に係る投影イメージング質量分析装置の一形態を図１（ａ）に示す。
【００２２】
本実施形態における投影イメージング質量分析装置は、１次ビームとしての１次イオンを試料２に照射するイオン銃１と、試料２を保持するための試料ステージ３と、試料２に対向して配置された投影型の荷電粒子光学系４と、２次イオンを検出する位置・時間敏感型のイオン検出器５とを有し、各部は真空容器６を構成する。また図示されないが、真空排気系および信号処理系を有する。
【００２３】
荷電粒子光学系４と、検出器５とによって飛行時間型質量分析器が構成され、検出器５の表面には荷電粒子が結像されるとともに２次イオンを含む荷電粒子が検出された時刻が記録される。
【００２４】
本実施形態のイオン銃１としては、一例として各種のガスより生成されるクラスターイオンを供給するクラスターイオン銃を用いているが、これに限らず液体金属イオン源や、デュオプラズマトロン、表面電離型イオン源等を用いても良い。
【００２５】
また、１次ビームは試料に照射して試料の表面から荷電粒子を発生させる荷電粒子源でも良く、レーザーのような電磁波またはイオン等の荷電粒子ビームであっても良い。また荷電粒子源は、試料の表面からパルス的に荷電粒子を発生させるパルス荷電粒子源であると良く、パルスレーザー光源やイオンパルス源を用いることがより好ましい。
【００２６】
イオン銃１は、ノズル１１、イオン化部１２、質量選別器１３、チョッパー１４、および１次イオン用レンズ１５を有する（図１（ａ））。
【００２７】
ノズル１１にはガス導入配管を通じて（Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｋｒ）等の希ガスや、（ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＯ２、ＳＦ６、Ｃｌ２、ＮＨ４）等の分子性ガス、（エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール）等のアルコール、および水等が供給される。これらの水やアルコールには、酸や塩基を混ぜても良い。ガス導入圧は特に限定されないが、０．００１〜１００気圧の範囲内であればよく、０．１〜２０気圧であるとさらによい。
【００２８】
ノズル１１からガスが真空中に噴射される際に、供給されたガス又は液体は超音速に加速される。その際に断熱膨張によりガスが冷却され、原子又は分子の集合体であるクラスターを含むガスが生成される。少なくともクラスターとガスのいずれかはイオン化部１２に入射する。イオン化部１２には、例えば熱フィラメントなどの電子源が配置されている。そして、電子源で発生した電子により、クラスターを構成する原子又は分子をイオン化され、クラスターイオンが生成される。
【００２９】
イオン化部１２では様々なサイズを有するクラスターイオンおよびモノマーイオンが生成され、それらは適当に加速されてから質量選別器１３に入射し、所望のサイズを有するクラスターイオンビームＡが生成される。尚、質量選別器１３は、飛行時間型、四重極型、また磁場型の質量選別器であっても良い。
【００３０】
さらに、クラスターイオンビームＡはチョッパー１４においてパルス化される。尚、チョッパー１４に代えて、パルス的にガスを噴射するノズル、あるいはパルス的にクラスターをイオン化するイオン化部を用いてもパルス化されたクラスターイオンビームＡを得ることができる。パルス幅が数十ｎｓ程度、あるいはそれより短い高速パルス駆動が可能であることが望ましい。
【００３１】
クラスターイオンビームＡの加速エネルギーは数［ｋｅＶ］〜数十［ｋｅＶ］であるが、１次イオンビームの収束性や２次イオン発生効率を向上させる観点から数十［ｋｅＶ］以上でも良い。
【００３２】
一方、クラスターイオンを構成する一個の原子または分子あたりの加速エネルギーを８．３［ｅＶ］以下にすることが好ましい。かかる場合、試料における測定対象物の解離を低減した条件で二次イオンが生成することができる、いわゆるソフトイオン化が可能となるため、タンパク質などの高分子の質量を感度良く測定することができる。同様に、クラスターイオン一個の原子または分子あたり４．３［ｅＶ］であればＣ−Ｈ結合、３．６［ｅＶ］であればＣ−Ｃ結合、３．４［ｅＶ］であればＣ−Ｏ結合、２．８［ｅＶ］であればＣ−Ｎ結合の解離を低減する効果が期待できる。
【００３３】
パルス化されたクラスターイオンビームＡは上記のように加速された後、１次イオン用レンズ１５で適当に収束され試料２に入射する。その結果、試料２の表面からは中性粒子、電子、および２次イオンが放出される。クラスターイオンビームＡが当該表面に入射する角度は０度（つまり試料の表面に平行）より大きく９０度以下であるが、試料２の表面に対して斜めに入射させれば、クラスターイオンビームＡと引き出し電極４１との衝突を防ぐことができる。
【００３４】
図１（ｂ）に示すように、試料２に対向して設置された荷電粒子光学系４は、引出し電極４１、第１の投影電極４２、第１の投影電極に対して試料の反対側に配置されている第２の投影電極４３、およびフライトチューブ電極４５を有する。各々の電極は荷電粒子を通過させるための開口部を有している。また駆動の際、各々の電極には適当な電圧が印加されており、特に試料２に対する引出し電極４１の電位は引出し電圧、両者の間の電場は引出し電場と呼ばれる。
【００３５】
引出し電極４１、第１の投影電極４２、および第２の投影電極４３のいずれかの電極の形状は、頂部に開口部を有する中空円錐（以下、円錐電極と呼ぶ）であっても良いし（図６（ａ））、円筒状の電極、また図６（ｂ）のような開口部を有する板状のアパーチャー電極であっても良い。本実施形態では、各投影電極には一例として円錐電極を用いている。特に、引出し電極４１が円錐電極である場合には、円錐電極の開口部から離れた部分の引出し電場が開口部近傍の電場に比べて弱くなるため、１次イオンの軌道が引出し電場によって偏向したり、ビーム形状が変化することを緩和する効果を有する。
【００３６】
本実施形態では、フライトチューブ電極４５としては、円筒型電極である円筒型フライトチューブ電極を用いているが（図６（ｃ））、複数の円筒型電極からなる複数円筒型フライトチューブ電極を用いても良い（図６（ｄ））。また、複数のアパーチャー電極を重ねたアパーチャー型フライトチューブ電極を用いても良い（図６（ｅ））。
【００３７】
さらには、第２の投影電極４３とフライトチューブ電極４５に代えて、両者を結合させたアパーチャー付きフライトチューブ電極４６を用いても良い（図１（ｅ））。アパーチャー付きフライトチューブ電極４６は、その端部に開口部を有する板状の部分を有し、アパーチャー付きフライトチューブ電極４６は第２の投影電極４３とフライトチューブ電極４５の双方に同じ電圧を印加することと実質的に同等の機能を発揮する。尚、この変形例では各投影電極としてアパーチャー電極を用いているが、円錐電極でもあっても良い。
【００３８】
クラスターイオンビームＡが試料２を照射する際の領域（照射されるスポットのサイズ）は、引出し電極４１の開口部のサイズと同等でも良いが、それより大きくても良い。後者の場合、投影光学系の倍率を変更しても、試料２と荷電粒子光学系４との位置関係を変えずに測定できる範囲が大きくなるという効果を有する。
【００３９】
試料２から放出された２次イオンは、引出し電場により加速され、荷電粒子光学系４に入射すると、引出し電極４１、第１の投影電極４２および第２の投影電極４３によって形成された電場により収束される。細い実線Ｂは、試料２から放出された２次イオンが荷電粒子光学系４を経てイオン検出器５に至るまで軌道を示している。第２の投影電極４３を通過した２次イオンは、内部に等電位空間を有するフライトチューブ電極４５に入射し、等速運動を行う。フライトチューブ電極４５を通過した２次イオンＢは、フライトチューブ電極４５の出口に設置された位置・時間敏感型のイオン検出器５で検出される。２次イオンの信号強度とともにイオン検出器５が当該２次イオン検出した時間が信号処理系に伝えられる。
【００４０】
２次イオンが試料２から放出されてから荷電粒子光学系４を経て検出されるまでの時間（飛行時間）は、２次イオンの発生時間とイオン検出器５での検出時間の差として測定できる。本実施形態では、クラスターイオンＡが試料２に入射する時間を２次イオンが放出される時間として扱うことができるため、２次イオンの飛行時間が測定できる。その結果、２次イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）を測定すること、すなわち２次イオンの質量分析が可能となる。
【００４１】
特に、フライトチューブ電極４５の長さが他の電極に対して充分に長い場合には、式１のＬに対してフライトチューブ電極４５の長さを代入し、同様にクラスターイオンＡが試料２に入射してからイオン検出器５で検出されるまでの時間をｔに代入すれば近似的に２次イオンの質量電荷比が求められる。
【００４２】
【数１】
2015181098.tif 000003
【００４３】
ここで、ｍはイオンの質量、ｚはイオンの価数、Ｖはイオンの加速電圧、ｅは素電荷である。
【００４４】
２次イオンがイオン検出器５に到達する際には、荷電粒子光学系４の収束作用によって試料２上の２次イオンイメージがイオン検出器５の表面で結像される。つまり、試料２の１点と、イオン検出器５の表面上の１点とが対応関係にあるため、試料２上の各点について質量分析を行うことができる。その結果、イメージング質量分析が可能となっている。かかる関係を有する光学系は、いわゆる投影型と呼ばれ、１次イオンビームを走査することなく試料上の物質分布を測定することができる点で有利である。
【００４５】
本実施形態においては、荷電粒子光学系４は高倍率および低倍率の２個の動作モードを有する。一例として、高倍率モードでは、引出し電極４１に対して電圧Ｖ１Ｈ、第１投影の電極４２にはＶ２Ｈ、第２の投影電極４３にはＶ３Ｈ、およびフライトチューブ電極４５にはＶＦＨを印加する（図１（ｃ））。また低倍率モードでは、引出し電極４１に対して電圧Ｖ１Ｌ、第１の投影電極４２にはＶ２Ｌ、第２の投影電極４３にはＶ３Ｌ、およびフライトチューブ電極４５にはＶＦＬを印加する（図１（ｄ））。なお、試料２を基準として、引出し電極４１、第１の投影電極４２、第２の投影電極４３、フライトチューブ電極４５、およびイオン検出器５の各位置は順に、ｘ０、ｘ１、ｘ２、ｘＦ、およびｘＤである。
【００４６】
試料には、電圧Ｖ０が印加されるが、Ｖ０の値は０［Ｖ］でも良いし、正負の数［Ｖ］〜数十［ｋＶ］であっても良い。また、イオン検出器５の２次イオン検出面にはＶ０に対して適当な電位差を有する電圧Ｖｄが印加される。
【００４７】
図１（ｂ）に模式的に示すように、投影型の荷電粒子光学系４のイオンに対する収束作用を示す主平面ＰＰは、イオンの進行経路上であって、第１の投影電極４２と第２の投影電極４３の間に、それらの電極の開口部の中心軸に対して垂直に交わるよう形成される。
【００４８】
図１（ｃ）に示す通り、高倍率モードでは、Ｖ２ＨとＶ３Ｈの電位差に対して、Ｖ１ＨとＶ２Ｈの電位差が大きく設定されているため、第１の主平面ＰＰＨが第１の投影電極４２と第２の投影電極４３との間に形成される。
【００４９】
また図１（ｄ）に示す通り、低倍率モードでは、Ｖ２ＬとＶ３Ｌの電位差に対して、Ｖ１ＬとＶ２Ｌの電位差が小さく設定されているため、第２の主平面ＰＰＬは第２の投影電極４３とフライトチューブ電極４５の間に形成される。
【００５０】
すなわち、本実施形態の投影型の荷電粒子光学系は、それぞれのモードにおいて各電極に印加する電位を設定することで、荷電粒子の進行経路上の少なくとも２以上の位置に主平面を変更して形成することができる。
【００５１】
上記の関係を詳細に示すために、イオン光学シミュレーションを行った（図３、図４）。尚、イオンは正電荷を有するものとして計算している。
【００５２】
試料２の表面から２［ｍｍ］の離れた位置に引出し電極４１を設置した。引出し電極４１は直径２［ｍｍ］の開口部を有する頂角７０度の円錐電極であり、外径は１０［ｍｍ］である。
【００５３】
引出し電極４１から２［ｍｍ］離れた位置に第１の投影電極４２、第１の投影電極４２から２［ｍｍ］離れた位置に第２の投影電極４３を設置した。第１の投影電極４２および第２の投影電極４３の形状は引出し電極４１と同様である。尚、上記の各電極の距離は、各々の開口部間を基準としている。
【００５４】
また、第２の投影電極４３から２［ｍｍ］離れた位置Ｌ１に内径１０［ｍｍ］、長さ５０［ｍｍ］の円筒型電極であるフライトチューブ電極４５を設置した。尚、上記の各電極は同軸に配置されている。
【００５５】
高倍率モードでは、一例として、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｈは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｈは−５００［Ｖ］を印加した。つまり本実施形態では、引出し電極４１と第１投影の電極４２との電位差が、試料２と引出し電極４１との電位差よりも小さく設定されているが、逆に大きく設定しても良い。またＶ３Ｈ、ＶＦＨおよびＶｄはいずれも−１０００［Ｖ］を印加した。したがって、引出し電極４１と第１投影の電極４２との電位差が、第１投影の電極４２と第２の投影電極４３との電位差よりも大きくなっている。図３（ａ）の細い実線Ｂが示すように、試料２から放出されたイオンが荷電粒子光学系４を経てイオン検出器５で検出される。図３（ｂ）は試料２近傍の拡大図であり、２次イオンは試料２上の３個の点から放出角度分布を持って放出されている。それぞれの２次イオンは検収器５の３個の点に収束していること、つまり結像していることが判る（図３（ａ））。
【００５６】
図３（ｃ）に示すように、試料２から荷電粒子光学系４の光軸に平行に放出された２次イオンのイオン検出器５に至る軌道に着目した場合、試料２側から延長した当該軌道の漸近線と、イオン検出器５側から延長した当該軌道の漸近線を引くことができる。また、双方の漸近線の交点から荷電粒子光学系４の中心軸に引いた垂線が当該中心軸に交わる点を主点と呼ぶ。主点を含み、当該中心軸に垂直な平面が主平面である。主平面の位置は、各電極に印加する電圧を調整することで、当該中心軸に沿って移動させることができる。尚、図３（ｃ）は高倍率モードにおける主平面ＰＰＨを示している。
【００５７】
荷電粒子光学系４の投影倍率Ｍは、試料２と主平面との距離ｆ１と、主平面とイオン検出器５の表面との距離ｆ２から式２により求められる（図３（ａ））。
【００５８】
【数２】
2015181098.tif 000004
【００５９】
図３（ａ）では、ｆ１は６［ｍｍ］、ｆ２は５７［ｍｍ］となり、高倍率モードの投影倍率ＭＨは９．５倍となる。
【００６０】
尚、各電極間の距離や、試料２と荷電粒子光学系４との距離は上記の値に限定されるものではなく、それぞれ変更しても良い。
【００６１】
各電極の位置関係が固定されている形態でも良いが、試料２と上記各電極間の距離が可変である荷電粒子光学系を構成してもよい。
【００６２】
例えば試料２の表面と引出し電極４１との距離を２［ｍｍ］から１［ｍｍ］に短縮し、その他の電極間の距離を上記と同様にしても良い。かかる場合、主平面と試料２の距離が小さくできるため、ｆ１を小さくする一方、ｆ２を大きくできる。その結果、投影倍率を増大させることができる。また逆に試料２の表面と引出し電極４１との距離を大きくすれば、投影倍率を下げることもできる。
【００６３】
一方、低倍率モードでは、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｌは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｌは−４８００［Ｖ］を印加した。ＶＦＬ、Ｖｄ、およびＶ３Ｌには、いずれも−１０００［Ｖ］を印加した。その結果、引出し電極４１と第１投影の電極４２との電位差が、第１投影の電極４２と第２の投影電極４３との電位差よりも小さくなっている。上記のように、第２の投影電極４３とフライトチューブ電極４５の間に主平面が形成される（図４（ａ））。ｆ１は９［ｍｍ］、ｆ２は５４［ｍｍ］となり、低倍率モードの投影倍率ＭＬは６倍となる。
【００６４】
フライトチューブ電極４５と、イオン検出器５上のイオンが入射する面（検出面）の電位は、高倍率モードでも低倍率モードにおいても等しくても良いが、異なっても良い。特にイオンが正電荷を有する場合は、フライトチューブ電極４５よりも当該検出面の電位が低くても良い。かかる場合、フライトチューブ電極４５と当該検出面の間に発生する電場よってイオンが加速され、当該検出面にイオンが入射する際の運動エネルギーが増加することから、イオン検出器５の感度が向上する効果を有する。またイオンが負電荷を有する場合は、フライトチューブ電極４５よりも当該検出面の電位を高くすると、同様に感度が向上する効果を有する。
【００６５】
他方、フライトチューブ電極４５内の電場に着目すると、高倍率モード（図３（ｄ））と低倍率モード双方とも（図４（ｃ））、フライトチューブ電極４５内の等電位線Ｃの間隔が広く、両モードとも実質的に内部が等電位であることが判る。そのため、各電極に印加する電圧を調整することにより投影倍率Ｍを変更しても、同じ質量電荷比を有する２次イオンの飛行時間ｔの変動が小さくなる結果、質量電荷比の測定値が影響を受けることが抑制される。
【００６６】
本実施形態のようにＶ１ＬとＶ１Ｈを同じ電位にすると、試料２と引出し電極４１との間の引出し電場の変化が実質的に変化しないため、２次イオンが引出し電極４１を通過する効率が変動することを抑制する効果を有する。また、同様に、１次イオンの軌道が引出し電場によって変動することを抑制する効果も有する。
【００６７】
ＶＦＬとＶＦＨは異なった電圧に設定しても良いが、本実施形態のように同電位にすると、イオンがフライトチューブ電極を飛行する時間が実質的に変化しない。したがって、飛行時間ｔの変動が実質的に無視できる効果を有する。特に、フライトチューブ電極４５が他の電極に比べて充分長い時には、投影倍率Ｍを変更しても飛行時間ｔが実質的に変動しなくなり、質量電荷比の測定精度が向上する効果を有する。
【００６８】
一方、質量電荷比の測定精度は式３で表わされるため、飛行時間ｔが変動すると質量分解能Δｍ／ｍも影響を受ける。ここでΔｔは飛行時間ｔの測定精度である。上記のように飛行時間ｔの変動が小さくなると、質量分解能の変動も抑制できる。
【００６９】
【数３】
2015181098.tif 000005
【００７０】
上記のように、投影倍率を変更しても質量電荷比を精度良く測定する投影型の荷電粒子光学系を提供することができる。
【００７１】
ここで従来技術との比較のために、引出し電極４１、第１の投影電極４２、およびフライトチューブ電極４５のみからなる従来の投影型の荷電粒子光学系４００（図２（ａ））のイオン光学シミュレーションを行った。その結果を、図２（ｂ）〜（ｅ）に示す。第１の投影電極４２とフライトチューブ電極４５との距離は２［ｍｍ］であり、その他、第２の投影電極４３を有さないことを除き、各電極の形状や大きさは図３のシミュレーションと同様である。
【００７２】
高倍率で稼働させた結果を図２（ｂ）に示す。各電圧の設定は、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｈは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｈは−５２０［Ｖ］を印加した。またＶＦＨおよびＶｄはいずれも−１０００［Ｖ］を印加した。主平面ＰＰＨは第１の投影電極４２とフライトチューブ電極４５の間に形成され、２次イオンがイオン検収器５に結像している。
【００７３】
一方、倍率を下げるために図２（ｃ）では、主平面ＰＰＬをイオン検出器５の方向へ移動させている。図２（ｂ）の電極類を使用しつつ、投影倍率を下げるためには、引出し電極４１と第１の投影電極４２との電位差よりも、第１の投影電極４２とフライトチューブ電極４５との電位差を大きくする必要が生じる。その結果、Ｖ０を０［Ｖ］、Ｖ１Ｌは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｌは−１２５００［Ｖ］、またＶＦおよびＶｄはいずれも−１０００［Ｖ］を印加した。フライトチューブ電極４５の入口の電位分布を比較すると、高倍率（図２（ｄ））に比べて低倍率（図２（ｅ））における電位勾配が急峻になっていることが判る。ここで、等電位線Ｃの間隔の狭い方が電位勾配が急峻になっている。
【００７４】
その結果、フライトチューブ電極４５内の電場によってイオンが加減速を受けるため、両モードを比較するとイオンの飛行時間が変動する。つまり従来技術においては、倍率を変更するとフライトチューブ電極４５内での２次イオンの飛行時間が変動し、質量電荷比の測定値や分解能が変動する問題があった。
【００７５】
かかるように、従来の投影型の荷電粒子光学系においては、投影倍率を変更すると、質量電荷比の測定精度が低下する問題があったが、本発明により、２次イオンの飛行時間ｔの変動が小さくなる結果、投影倍率を変更しても質量電荷比を精度良く測定することが可能になった。
【００７６】
尚、本実施形態は１次イオンとしてクラスターイオンを例として説明しているが、クラスターイオン以外にも、分子イオン、フラーレンイオン、帯電液滴等の帯電した物質についても本発明を適用可能である。また本実施形態では、荷電粒子光学系をイオンの質量分析に用いているが、他の荷電粒子の質量分析にも用いることができる。
【００７７】
（第２の実施形態）
本実施形態における投影イメージング質量分析装置は、投影型の荷電粒子光学系の構成を除き、第１の実施形態と同様である。
【００７８】
本実施形態による投影型の荷電粒子光学系４は、第２の投影電極４３とフライトチューブ電極４５の間に第３の投影電極４４が追加されていることと、各電極の印加電圧が異なることを除き第１の実施形態と同様である。第２の投影電極４３と第３の投影電極４４との距離と、第３の投影電極４４とフライトチューブ電極４５との距離はいずれも２［ｍｍ］である。図５（ａ）〜（ｆ）は本実施形態の投影イメージング質量分析器のイオン光学シミュレーション結果である。
【００７９】
高倍率モード（図５（ａ））では、各電極の印加電圧は、一例として、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｈは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｈは−５７０［Ｖ］となっている。またＶ３Ｈ、ＶＦＨおよびＶｄはいずれも−１０００［Ｖ］である。また第３の投影電極４４に印加する電圧Ｖ４Ｈも−１０００［Ｖ］である。図５（ａ）の細い実線Ｂは、試料２から放出された２次イオンが荷電粒子光学系４を経てイオン検出器５に至るまで軌道を示している。第１の実施形態と同様にイオンは試料２上の３個の点から放出角度分布を持って放出され、それぞれ検収器５の３個の点に収束していることが判る。図５（ａ）では、第１の投影電極４２と第２の投影電極４３の間に高倍率モードの主平面ＰＰＨが形成され、ｆ１は６［ｍｍ］、ｆ２は５７［ｍｍ］となり、投影倍率ＭＨは９．５倍である。
【００８０】
一方、低倍率モードでは、一例として、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｌは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｌは−４０００［Ｖ］、およびＶ３Ｌは−３９００［Ｖ］となっている。ＶＦＬとＶｄには、いずれも−１０００［Ｖ］である。また第３の投影電極４４に印加する電圧Ｖ４Ｌも−１０００［Ｖ］である。低倍率モードの主平面ＰＰＬは、第３の投影電極４４とフライトチューブ電極４５の間に形成される。ｆ１は１１［ｍｍ］、ｆ２は５２［ｍｍ］となり、低倍率モードの投影倍率ＭＬは４．７倍となる（図５（ｂ））。
【００８１】
さらに本実施形態では、第２の投影電極４３と第３の投影電極４４の間に主平面ＰＰＭを形成させることによって、中程度の倍率で２次イオン結像させる中倍率モードを有する。本モードにおける各電極に印加する電圧は、試料２は０［Ｖ］、引出し電極４１は−４０００［Ｖ］、第１の投影電極４２は−４７５０［Ｖ］である。第２の投影電極４３と第３の投影電極４４、フライトチューブ電極４５、およびイオン検出器５は、いずれも−１０００［Ｖ］である。ｆ１は９［ｍｍ］、ｆ２は５４［ｍｍ］となり、中倍率モードの投影倍率は６倍である（図５（ｃ））。
【００８２】
上記の高倍率モード（図５（ｄ））、低倍率モード（図５（ｅ））、中倍率モード（図５（ｆ））のいずれのモードにおいても、フライトチューブ電極４５内部の等電位線の間隔は広く、フライトチューブ電極４５内部は実質的に等電位空間になっていることが判る。したがって、第３の投影電極４４を追加することにより、倍率を３段階に変更しても、同じ質量電荷比を有する２次イオンの飛行時間ｔの変動が小さくなる結果、質量電荷比を精度良く測定することが可能になった。
【００８３】
尚、本実施形態の投影型の荷電粒子光学系４は３個の投影電極を有しているが、４個以上の投影電極を有していても良い。
【００８４】
すなわち本実施形態にかかる荷電粒子光学系によれば、荷電粒子の軌道に沿った少なくとも２以上の位置に主平面を形成することができ、３つ以上の主平面を形成することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
本実施形態における投影イメージング質量分析装置（図６（ｆ））は、１次ビームとしてのレーザー光を試料２に照射している。試料２の少なくとも一部がイオン化され、発生したイオンの質量分析を行うことを除き、第１の実施形態と同様である。
【００８６】
レーザー光源１６は紫外線レーザーでも良く、また可視レーザーでもよい。レーザー光Ｄは光学窓１７を介して、真空容器６中の試料２に入射し、その表面よりイオンを放出させる。試料２にマトリクス剤を付与しても良い。
【００８７】
試料２から放出されたイオンは荷電粒子光学系４によりイオン検出器に結像することは第１の実施形態と同様である。本実施形態では、レーザー光Ｃはパルス化されているため、パルス的にイオンが放出される。したがって、レーザー光Ｃが試料２を照射する時間を基準として、イオン検出器５でイオンが検出される時間が飛行時間となる。
【００８８】
かかるように、レーザー光Ｃの照射により試料２から放出されたイオンをイオン検出器５に結像させ、飛行時間を測定することにより、イメージング質量分析を行うことが可能となる。
【００８９】
本実施形における投影イメージング質量分析装置では、投影倍率を変更しても質量電荷比を精度良く測定することに加え、マトリクス剤を付与した試料をレーザー光で照射することにより、生体分子等の高分子を感度良く検出することができる。
【００９０】
（第４の実施形態）
本実施形態における投影イメージング質量分析装置は、投影型の荷電粒子光学系の構成を除き、第２の実施形態と同様である。
【００９１】
本実施形態による投影型の荷電粒子光学系４は、図６（ｇ）に示すように、第３の投影電極４４とフライトチューブ電極４５の間に第４の投影電極４７が追加されていることと、各電極の印加電圧が異なることを除き第２の実施形態と同様である。第３の投影電極４４と第４の投影電極４７との距離と、第４の投影電極４７とフライトチューブ電極４５との距離はいずれも２［ｍｍ］である。図７（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の投影イメージング質量分析器のイオン光学シミュレーション結果である。
【００９２】
高倍率モード（図７（ａ））では、各電極の印加電圧は、一例として、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｈは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｈは−５８０［Ｖ］となっている。またＶ３Ｈ、ＶＦＨおよびＶｄはいずれも−１０００［Ｖ］であり、Ｖ４Ｈは−９００［Ｖ］である。また第４の投影電極４７に印加する電圧Ｖ５Ｈも−１０００［Ｖ］である。図７（ａ）の細い実線Ｂは、試料２から放出された２次イオンの軌道を示しているが、第２の実施形態と同様にイオンは試料２上の３個の点から放出角度分布を持って放出され、それぞれ検収器５の３個の点に収束していることが判る。図７（ａ）では、第１の投影電極４２と第２の投影電極４３の間に高倍率モードの主平面ＰＰＨが形成され、ｆ１は６［ｍｍ］、ｆ２は６３［ｍｍ］となり、投影倍率ＭＨは１０．５倍である。
【００９３】
一方、低倍率モードでは、一例として、Ｖ０は０［Ｖ］、Ｖ１Ｌは−４０００［Ｖ］、Ｖ２Ｌは−２０００［Ｖ］となっている。Ｖ３Ｌ，ＶＦＬ、およびＶｄは、いずれも−１０００［Ｖ］であり、Ｖ４Ｌは−５５０［Ｖ］である。また第４の投影電極４７に印加する電圧Ｖ５Ｌは−１０００［Ｖ］である。低倍率モードの主平面ＰＰＬは、第４の投影電極４７とフライトチューブ電極４５の間に形成される。ｆ１は１５［ｍｍ］、ｆ２は５４［ｍｍ］となり、低倍率モードの投影倍率ＭＬは３．６倍となる（図７（ｂ））。
【００９４】
本実施例の特徴として、上記のように高倍率モード（図７（ｃ））と低倍率モード（図７（ｄ））を切り替えてもＶ３ＬとＶ３Ｈが変化しない。そのため、第１の投影電極４２に印加する電圧が変化しても、第２の投影電極４３よりも第３の投影電極４４側の空間に第１の投影電極４２が形成する電場が変化することが低減される。また逆に、第３の投影電極４４に印加する電圧が変化しても、第２の投影電極４３よりも第１の投影電極４２側の空間に第３の投影電極４４が形成する電場が変化することが低減される。その結果として、イオンを収束させる電場を精度良く形成できるため、静電レンズの収差を低減できることから、空間分解能が向上する効果を有する。
【００９５】
尚、実施例２と同様に中倍率モードも存在するが、各電極に印加する電圧を調整することで、主平面が上記の３つのモードとは異なる位置に生成する、すなわち第２の中倍率モードを生成することができる。一例として、第２の投影電極４３に対してＶ３ＬおよびＶ３Ｈとは異なる電圧を印加する場合が該当する。かかるように、荷電粒子の軌道に沿った少なくとも２以上の位置に主平面を形成することができ、３つ、あるいは４つ以上の主平面を形成することができる。
【００９６】
尚、本実施形態の投影型の荷電粒子光学系４は４個の投影電極を有しているが、５個以上の投影電極を有していても良い。
【符号の説明】
【００９７】
１  イオン銃
１１  ノズル
１２  イオン化部
１３  質量選別器
１４  チョッパー１４
１５  １次イオン用レンズ
１６  レーザー光源
１７  窓材
２  試料
３  試料ステージ
４  投影型の荷電粒子光学系
４１  引出し電極
４２  第１の投影電極
４３  第２の投影電極
４４  第３の投影電極
４５  フライトチューブ電極
４６  第４の投影電極
４００  従来の投影型の荷電粒子光学系
４１１  円錐電極
４１２  アパーチャー電極
４５１  円筒型フライトチューブ電極
４５２  複数円筒型フライトチューブ電極
４５３  アパーチャー型フライトチューブ電極
５  イオン検出器
６  真空容器
Ａ  クラスターイオンビーム
Ｂ  ２次イオンの軌道
Ｃ  等電位線
Ｄ  レーザー光
【図１】
2015181098.tif 000006
【図２】
2015181098.tif 000007
【図３】
2015181098.tif 000008
【図４】
2015181098.tif 000009
【図５】
2015181098.tif 000010
【図６】
2015181098.tif 000011
【図７】
2015181098.tif 000012