(57)【要約】【課題】試料から２次イオンを効率良く発生させて、試料を高感度で分析する。【解決手段】（１）イオン発生源と、パルス化手段と、ＯＮ状態の時にクラスターイオンの中から特定の質量数のイオンからなる測定用１次イオンを選別し、ＯＦＦ状態の時にクラスターイオンを通過させる選別手段であって、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることが可能な選別手段とを有するイオン照射手段と、（２）試料台と、（３）試料から生じた２次イオンの飛行時間を測定する飛行時間型質量分析部と、を備えたことを特徴とする飛行時間型２次イオン質量分析装置。【選択図】図３
2008282726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）２以上の原子からなるクラスターイオンを発生させるイオン発生源と、
前記クラスターイオンをパルス化するパルス化手段と、
ＯＮ状態の時に前記クラスターイオンの中から特定の質量数のイオンからなる測定用１次イオンを選別し、ＯＦＦ状態の時に前記クラスターイオンを通過させる選別手段であって、前記ＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることが可能な選別手段と、
を有するイオン照射手段と、
（２）試料台と、
（３）試料から生じた２次イオンの飛行時間を測定する飛行時間型質量分析部と、
を備え、
前記選別手段をＯＦＦ状態とすることによって、試料に対して前記クラスターイオンを照射して試料の表面状態を改質し、
前記選別手段をＯＮ状態とすることによって、試料に対して前記測定用１次イオンを照射して試料から２次イオンを発生させ、前記飛行時間型質量分析部により前記２次イオンを測定するように構成されたことを特徴とする飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【請求項２】
前記クラスターイオンが、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、ケイ素、ビスマス、炭素、リチウム、カリウム、ナトリウム、及びガリウムからなる群から選択された少なくとも１種の元素からなり、
１つのクラスターイオンが、２以上、１００以下の原子から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【請求項３】
前記試料台は、
前記選別手段がＯＦＦ状態の時に試料に負の電圧を印加し、前記選別手段がＯＮ状態の時に試料に正の電圧を印加するよう切り替え可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【請求項４】
前記飛行時間型質量分析部は、
前記選別手段がＯＦＦ状態の時にイオン引出電極部に負の電圧を印加し、前記選別手段がＯＮ状態の時にイオン引出電極部に正の電圧を印加するよう切り替え可能であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【請求項５】
前記イオン照射手段は、前記クラスターイオン及び測定用１次イオンの照射方向及び速度を調節することにより、試料の同一の領域で、前記試料の表面状態の改質及び２次イオンの発生が起こるように制御可能であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【請求項６】
前記飛行時間型２次イオン質量分析装置が、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドからなる群から選択された少なくとも一種の試料の分析装置であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行時間型質量分析部を用いて、試料の情報を取得することが可能な飛行時間型２次イオン質量分析装置に関する。より詳しくは、試料を構成する構成物、特にタンパク質、ペプチド（以下、「ポリペプチド」と記載する）などの有機物を種類ごとに効率よく、イメージング検出することが可能な飛行時間型２次イオン質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のゲノム（ｇｅｎｏｍｅ）解析の進展により、生体内に存在する遺伝子産物であるタンパク質の解析の重要性が急速にクローズアップされてきている。また、従来から、タンパク質の発現及び機能解析の重要性が指摘されており、その解析手法の開発が進められている。これらの手法は、（１）二次元電気泳動や高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）による分離精製と、（２）放射線分析、光学的分析、質量分析等の検出系、の組み合わせを基本としている。
【０００３】
このタンパク質解析技術の基盤はプロテオーム（ｐｒｏｔｅｏｍｅ）解析と呼ばれるもので、これは遺伝子（ｇｅｎｅ）から作り出され実際に生体内で働いているタンパク質を解析するものである。そして、最終的に細胞の機能や疾患の原因を究明することを目的としている。このプロテオーム解析の代表的な解析手法としては、下記の方法を挙げることができる。
（１）対象とする生体組織や細胞からのタンパク質の抽出。
（２）２次元電気泳動によるタンパク質の分離。
（３）ＭＡＬＤＩ法（マトリックス支援レーザー脱離−飛行時間型質量分析法：ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ）などの質量分析によるタンパク質またはその断片の分析。
（４）ゲノムプロジェクトなどのデータベースを利用したタンパク質の同定。
【０００４】
一方、本願発明者は、以前に、特許文献１（特開２００６−１０６５８号公報）において、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ法（飛行時間型２次イオン質量分析法）をベースとする情報取得手法及び装置を提案した。この情報取得手法等は、プロテインチップや生体組織切片におけるポリペプチドの２次元分布の可視化を目的としている。この手法では、インクジェット法などを用いて、上記プロテインチップや生体組織切片に、イオン化促進物質や消化酵素を付与する。そして、タンパク質の種類に関する情報（消化酵素により限定分解されたペプチドの情報を含む）を、その位置情報を保持したままＴＯＦ−ＳＩＭＳ法により可視化するものである。
【０００５】
さらに、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ法でポリペプチドを有効に分析した例としては、下記に、ＭＡＬＤＩ法と同様の前処理を適用したものが開示されている。すなわち、ポリペプチドをマトリックス物質と混合することにより、分子量の大きなポリペプチド親分子を検出する方法が開示されている。
【０００６】
・非特許文献１（Ａ．  Ｆ．  Ｍａａｒｔｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．，  ７７，  ７３５  （２００５））。
ポリペプチドを有効に分析する手法として、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ法での１次イオンに、カーボン６０フラーレン（Ｃ６０）イオンや金やビスマスなど金属元素の３量体クラスター（Ａｕ3、Ｂｉ3）イオンなどを用いた例が記載されている。これにより、１次イオンの照射によって試料表面の極浅い領域内でのエネルギー多重散乱が起こる。そして、１次イオンが衝突した表面の近傍に存在する高分子がソフトに、数多く放出（スパッタリング）できることが記載されている。
【０００７】
・非特許文献２（Ｄ．Ｇ．  Ｃａｓｔｎｅｒ，  Ｎａｔｕｒｅ  ４２２，  １２９  （２００３））。
非特許文献２に記載の現象を利用することにより、高分子のフラグメント化を抑えたイオン化を促進し、結果としてイオン検出感度を向上する方法が開示されている。
【０００８】
・特許文献２（特開平７−２１１２８２号公報）、特許文献３（特開２００５−３００４８０号公報）
上記両文献には、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ法以外の飛行時間型質量分析計を備えた分析機器において、イオン化機構の改良によって、高分子のフラグメントイオン化を促進させ、その分子構造の情報を得る方法が開示されている。より具体的には、特許文献２ではイオン源と質量分析部との間に衝突ガスを照射し、特許文献３ではイオン源と質量分析部との間に赤外線レーザーを照射させている。
【非特許文献１】Ａ．  Ｆ．  Ｍａａｒｔｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．，  ７７，  ７３５  （２００５）
【非特許文献２】Ｄ．Ｇ．  Ｃａｓｔｎｅｒ，  Ｎａｔｕｒｅ  ４２２，  １２９  （２００３）
【特許文献１】特開２００６−１０６５８号公報
【特許文献２】特開平７−２１１２８２号公報
【特許文献３】特開２００５−３００４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者が提案した、特許文献１に記載の情報取得手法等では、病変組織と正常組織のタンパク質に関する情報（消化酵素により限定分解されたペプチドの情報を含む）を取得することができる。しかしながら、試料の種類及び測定条件によっては、その検出感度が十分ではない場合があった。
【００１０】
一方、非特許文献１に記載の方法は、分子量の大きなポリペプチドであっても１次イオン照射による分解を抑制し、元の質量を保持したまま親分子を検出できる方法である。しかしながら、非特許文献１の方法では、ポリペプチドとマトリックス物質とを混合したものを測定試料としている。このため、タンパク質チップのような試料を分析する場合には、元の２次元分布情報を取得することができなかった。
【００１１】
そこで、上記のような問題点を解決する、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ法を用いた装置の改良方法としては、ＭＡＬＤＩ法やＬＣ−ＴＯＦＭＳ法（液体クロマトグラフ質量分析計）などの手法を応用することが考えられる。その代表的な例として、特許文献２及び３に記載のような、イオン源と質量分析部との間に、衝突ガスや赤外線レーザー光の照射を行い、ポリペプチドの高分子をフラグメントイオン化して検出する手法が考えられる。しかしながら、これらの方法では測定対象となる試料が限定され、衝突ガスや赤外線レーザー光が比較的、低エネルギーであるため、試料からの２次イオン発生量も少なく、測定精度に限界があった。
【００１２】
このため、近年、現実的な手法として広く用いられている改良方法は、非特許文献２に記載のような、Ｃ６０やＡｕ3、Ｂｉ3などの金属性クラスターイオンを１次イオンに用いる方法である。この方法では、金属性クラスターイオンを１次イオンとして試料に照射することにより、試料表面の極浅い領域で多重散乱を誘発して、フラグメント化を抑えながら良好に（中性イオンを含む）高分子イオンの放出を行うことができる。この方法では、高分子イオンの検出感度を増大させることができると共に、金属イオンビームの特性であるサブミクロンでの位置分布情報の検出が可能になるという利点を有する。すなわち、この方法を用いると、従来、１次イオン源として用いていたガリウムやアルゴンの場合に比べて、質量数２００から１０００程度のポリペプチドイオンの検出感度が、数十倍から数百倍程度まで向上するという利点を有する。
【００１３】
しかしながら、非特許文献２に記載の方法では、１次イオン照射によって試料表面の改質と測定を同時に行っている。このため、試料からの高分子イオンの放出効率が悪かった。また、広範囲に渡り多重散乱を誘発させて高分子イオンの放出を行うため、実質、この金属性クラスター１次イオンが試料表面に照射される領域は１００原子に１原子程度と非常に少なかった。このため、試料表面の多くの部分が、分析に供されずに無駄に消費されるといった問題があった。
【００１４】
以上のように、従来のＴＯＦ−ＳＩＭＳ法を用いた分析方法では、タンパク質チップや生体標本等の試料に対して位置情報を維持しながら、高感度でポリペプチドの親分子イオンの検出を行うことが困難であった。
【００１５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の装置では、選別手段をＯＦＦ状態とすることによって、試料に対してクラスターイオンを照射して試料の表面状態を改質する。また、選別手段をＯＮ状態とすることによって、試料に対して測定用１次イオンを照射して試料から２次イオンを発生させ、飛行時間型質量分析部により２次イオンを測定する。そして、本発明では、選別手段を周期的にＯＮ状態とＯＦＦ状態にすることにより、試料から２次イオンを効率良く生成させて、試料を高感度で分析することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の構成を有することを特徴とする。
１．（１）２以上の原子からなるクラスターイオンを発生させるイオン発生源と、
前記クラスターイオンをパルス化するパルス化手段と、
ＯＮ状態の時に前記クラスターイオンの中から特定の質量数のイオンからなる測定用１次イオンを選別し、ＯＦＦ状態の時に前記クラスターイオンを通過させる選別手段であって、前記ＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることが可能な選別手段と、
を有するイオン照射手段と、
（２）試料台と、
（３）試料から生じた２次イオンの飛行時間を測定する飛行時間型質量分析部と、
を備え、
前記選別手段をＯＦＦ状態とすることによって、試料に対して前記クラスターイオンを照射して試料の表面状態を改質し、
前記選別手段をＯＮ状態とすることによって、試料に対して前記測定用１次イオンを照射して試料から２次イオンを発生させ、前記飛行時間型質量分析部により前記２次イオンを測定するように構成されたことを特徴とする飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【００１７】
２．前記クラスターイオンが、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、ケイ素、ビスマス、炭素、リチウム、カリウム、ナトリウム、及びガリウムからなる群から選択された少なくとも１種の元素からなり、
１つのクラスターイオンが、２以上、１００以下の原子から構成されていることを特徴とする上記１に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【００１８】
３．前記試料台は、
前記選別手段がＯＦＦ状態の時に試料に負の電圧を印加し、前記選別手段がＯＮ状態の時に試料に正の電圧を印加するよう切り替え可能であることを特徴とする上記１又は２に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【００１９】
４．前記飛行時間型質量分析部は、
前記選別手段がＯＦＦ状態の時にイオン引出電極部に負の電圧を印加し、前記選別手段がＯＮ状態の時にイオン引出電極部に正の電圧を印加するよう切り替え可能であることを特徴とする上記１から３の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【００２０】
５．前記イオン照射手段は、前記クラスターイオン及び測定用１次イオンの照射方向及び速度を調節することにより、試料の同一の領域で、前記試料の表面状態の改質及び２次イオンの発生が起こるように制御可能であることを特徴とする上記１から４の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【００２１】
６．前記飛行時間型２次イオン質量分析装置が、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドからなる群から選択された少なくとも一種の試料の分析装置であることを特徴とする上記１から５の何れか１項に記載の飛行時間型２次イオン質量分析装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の飛行時間型２次イオン質量分析装置は、細胞または組織を含む生体標本などの試料から２次イオンを効率良く発生させることができる。この結果、試料を高感度で分析することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の装置は、（１）イオン照射手段、（２）試料台、（３）飛行時間型質量分析部を備える。この装置は、飛行時間型二次イオン質量分析装置（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）である。
【００２４】
この（１）イオン照射手段は、以下の手段を有する。
・イオン発生源：２以上の原子からなるクラスターイオンを発生させる。
・パルス化手段：クラスターイオンをパルス化する。
・選別手段：ＯＮ状態の時にクラスターイオンの中から特定の質量数のイオンからなる測定用１次イオンを選別し、ＯＦＦ状態の時にクラスターイオンを通過させる。また、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることが可能である。
【００２５】
そして、イオン照射手段は、選別手段がＯＦＦ状態の時に、試料に対してクラスターイオンを照射して試料の表面状態を改質できるようになっている。また、選別手段がＯＮ状態の時に、測定用１次イオンを照射して試料から２次イオンを発生させ、飛行時間型質量分析部により２次イオンを測定できるようになっている。
【００２６】
そして、切り替え手段により、このＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることにより、試料表面にクラスターイオンを保持している間に、試料に対して測定用１次イオンを照射できる。この結果、試料からの２次イオン発生量を増加させて、高精度・高感度な試料の測定が可能となる。
以下、本発明の装置の各手段を詳細に説明する。
【００２７】
（イオン照射手段）
本発明のイオン照射手段は、イオン発生源、パルス化手段、選別手段を有する。図１は、本発明のイオン照射手段の一例を示したものである。図１のイオン照射手段では、イオン発生源１として、金属を用いるときは短針形状のフィラメントの加熱による局所高電圧印加イオン化法を用いた液体金属イオン源方式を用いる。また、イオン発生源１として、昇華性の材質を用いるときは加熱による蒸発ガスへの電子線照射イオン化法によるガス化電子衝撃法を用いる。
【００２８】
このイオン発生源１は、引出電圧で加速することにより、２以上の原子からなるクラスターイオンを発生させて質量選択チューブ２内へ導入することが可能なようになっている。なお、イオン発生源１の方式は、これらの方式に限られるわけではない。
【００２９】
なお、１つのクラスターイオンは、２個以上の原子からなり、選別手段によって特定の質量数ｍ（質量）／ｚ（電荷）のイオンからなる測定用１次イオンを選別可能なものである。また、１つのクラスターイオンは、１種類の元素だけから構成されていても、複数の種類の元素から構成されていても良い。
【００３０】
例えば、クラスターイオンが１種の元素Ａのみからなる場合、このクラスターイオンは異なる電荷のイオンや、単量体・多量体のイオンから構成されている。このようなイオンとしては例えば、Ａ+、Ａ2+、Ａ-、Ａ2-、Ａ2+、Ａ22+、Ａ2-、Ａ22-、Ａ3+、Ａ32+、Ａ3-、Ａ32-が挙げられる。なお、元素Ａの種類によっては、この中の一部のイオンしか存在しなかったり、これ以外のイオンが存在しても良い。また、クラスターイオンが２種以上の元素からなる場合、典型的には、このクラスターイオンは各元素毎に異なる電荷のイオンや、単量体・多量体のイオンから構成されている。
【００３１】
典型的には、クラスターイオンは、その原子数が２個以上、５個以下の比較的、小さなものとなるが、中にはカーボンフラーレンのように６０個以上で安定な構造のものとなる場合もある。また、クラスターイオンの中には、２価以上の電荷を持つものも含まれるが、ほとんどのクラスターイオンは１価の電荷となる。なお、１つのパルス中に含まれるクラスターイオンの数はファラデーカップ機能を利用した電流計により計測することができる。
【００３２】
本発明の装置では、試料表面に照射するクラスターイオンの量（電流値）をイオン発生源１の引出電圧の調整等により、適度な値に調節することが好ましい。例えば、有機物試料表面の改質と測定を行うのに適切なクラスターイオンの量（電流値）は、クラスターイオン源の種類、イオンの引出電圧などによって異なるものとなる。ただ、通常の試料では、１０ｋＶの引出電圧でクラスターイオンの照射量が１０14個／ｃｍ2以上、１０15個／ｃｍ2以下となる量が好ましい。
【００３３】
また、クラスターイオンは、以下の（Ａ）及び（Ｂ）の構成を有することが好ましい。
（Ａ）クラスターイオンが、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、ケイ素、ビスマス、炭素、リチウム、カリウム、ナトリウム、及びガリウムからなる群から選択された少なくとも１種類の元素からなる。
（Ｂ）１つのクラスターイオンが、２以上、１００以下の原子から構成されている。
【００３４】
クラスターイオンを、上記（Ａ）及び（Ｂ）の構成とすることによって、試料表面内部にクラスターイオンを導入しやすくなる。この結果、試料表面から、より効果的に２次イオンを発生させることができる。
【００３５】
また、イオン照射手段は、クラスターイオン及び測定用１次イオンの照射方向及び速度を調節することにより、試料の同一の領域で、試料の表面状態の改質及び２次イオンの発生が起こるように制御可能であることが好ましい。
【００３６】
このためには、例えば、試料とイオン照射手段との間に偏光手段を設けても良い。具体的には電磁レンズの適用が望ましい。この偏光手段によって、イオン照射手段から照射されたクラスターイオン及び測定用１次イオンが、それぞれの質量数差のために生じる微細な照射位置のずれを補正し、試料の特定の同一表面位置に照射するように指向させることができる。
【００３７】
（パルス化手段）
このようにして質量選択チューブ２内へ導出されたクラスターイオンは、図１（ａ）ように、第１のチョッピング機構３にまで導かれる。ここで、第１のチョッピング機構３（パルス化手段）は図１（ｂ）のように、その一部に開口が設けられており、高速で回転している。従って、この回転により、イオン発生源１からその導出方向に第１のチョッピング機構３の開口が来たときのみ、クラスターイオンは第１のチョッピング機構３を通過することができるようになっている。このようにして、第１のチョッピング機構３は、イオン発生源１から導出されたクラスターイオンをパルス化することができる。
【００３８】
また、この第１のチョッピング機構３（パルス化手段）の回転数を調節することにより、測定用１次イオン及びクラスターイオンのパルス幅を制御することができる。測定用１次イオン及びクラスターイオンのパルス幅は、０．０１ｎｓ以上、１０ｎｓ以下が好ましく、０．１ｎｓ以上、１ｎｓ以下がより好ましい。
【００３９】
（選別手段）
また、図１（ａ）のように、質量選択チューブ２の出口近傍には、クラスターイオン中から特定の質量数のイオンを選別可能な第２のチョッピング機構４（選別手段）が設置されている。そして、図１（ｃ）のように、第２のチョッピング機構４は、典型的には０．１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下の周期でＯＮ状態とＯＦＦ状態に切り替えることが可能となっている。
【００４０】
本発明の装置では、選別手段４がＯＦＦ状態の時、試料７に対してクラスターイオン６を照射して試料７の表面状態を改質できるようになっている。また、選別手段４がＯＮ状態の時、第１のチョッピング機構３と第２のチョッピング機構４の間の距離と、各チョッピング機構の回転同期のずれにより、試料７に対して特定の質量数のイオンからなる測定用１次イオン５を照射する。そして、試料７の表面から２次イオンを発生させ、飛行時間型質量分析部（図示していない）によって２次イオンを測定できるようになっている。
以下、本発明の選別手段４がＯＮ状態と、ＯＦＦ状態の時の試料表面の状態について、更に詳細に説明する。
【００４１】
（ａ）選別手段４がＯＦＦ状態の時
選別手段４がＯＦＦ状態とされている時には、パルス化した金属クラスターイオン６が試料に直接、照射され、試料７表面の改質を行うことができる。
【００４２】
すなわち、図２に示すように、以下の表面改質効果を得ることができる。
・試料１５表面への多数のクラスターイオンの照射により、試料１５内部にクラスターイオン１３及びその構成イオンが多数、配置されることとなる。これにより、試料１５表面の導電性が向上して、２次イオン検出時（選別手段がＯＮ状態のとき）の測定用１次イオン１１の照射による試料１５表面の帯電化を防ぐことができる。
【００４３】
・試料１５からの電荷供給率の向上によって２次イオン１２のイオン化率を向上させることができる。
・試料１５の表面内部に一定の深さでクラスターイオン１３が導入・配置されることから、測定用１次イオン１１が有機膜を通してクラスターイオン１３の表面に当たることとなる。この結果、この際の反跳エネルギーにより、試料１５の表面から２次イオン１２を上方に効率良く跳躍させることが可能となり、２次イオン１２の生成効率を向上させることができる。
【００４４】
（ｂ）選別手段がＯＮ状態の時
選別手段４がＯＮ状態とされている時には、選別手段４によりクラスターイオン６中から特定の質量数ｍ（質量）／ｚ（電荷）のイオンからなる測定用１次イオン５が質量選択される。なお、この選別手段による質量選択は、２つのチョッピング機構間の距離と回転同期のずれによって飛行時間分解を行うものである。これにより、第２のチョッピング機構４から、特定の質量数を持つイオンだけを引き出すことができる。この時、測定用１次イオン５としては、１種類のイオンだけであっても、複数の種類のイオンであっても良い。また、測定用１次イオン５は１種類の元素だけから構成されていても、複数の種類の元素から構成されていても良い。
【００４５】
具体的な例として、２５ｋＶのビスマスクラスターイオンを用いる場合、この両チョッピング機構間の距離を１０ｃｍ、回転周期を１０ｋＨｚとする。この時、第２のチョッピング機構４に対する第１のチョッピング機構３の回転同期ずれ（遅れ）を４０から６０ｎｓｅｃほどにする。すると、クラスターイオンの中からビスマス３量体のクラスターイオン（Ｂｉ3+）だけを選択抽出することが可能となる。
【００４６】
この測定用１次イオンを構成するイオンとしては、ガリウムイオン、セシウムイオン、金（Ａｕ）イオン等とすることが好ましい。これらのイオンを用いることによって、イオン化効率、質量分解能を向上させることができる。これらのイオンの中でも、Ａｕイオンを用いると、極めて高感度の分析が可能となる点でより好ましい。この際、Ａｕイオンの代わりに、又はＡｕイオンと共に、Ａｕ2イオン、Ａｕ3イオンを用いることができ、この順で感度の上昇が図られる場合が多いため、金の多原子イオンの利用は更に好ましい形態となる。なお、金以外の多原子イオンとして、ビスマスイオンやＣ６０イオンなどを使用することもできる。
【００４７】
この選別手段をＯＮ状態とすることによって、測定用１次イオンとして、特定の元素・質量の１次イオン５を、パルス化した状態で、先の試料１５の改質を行った領域へ照射することが可能となる。このように、選別手段がＯＮ状態のとき、改質された状態の試料１５の表面に測定用１次イオン５が照射されるため、試料表面からは２次イオン１２を効率良く発生させることができる。この結果、試料中の対象物の分布状態を保持したまま、高感度で分析を行うことが可能となる。
【００４８】
そして、本発明では、選別手段は、上記ＯＮ状態とＯＦＦ状態を、０．１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下の周期で切り替わるようになっていることが好ましい。これによって、クラスターイオンが試料表面に滞留可能な短時間のうちに、試料に測定用１次イオンを照射して効率的に２次イオンを発生させることができる。
【００４９】
なお、本発明の装置では、選別手段がＯＮ状態、ＯＦＦ状態となっている時間に対して、測定用１次イオン及びクラスターイオンのパルス幅が短い（通常、数百ｐｓ〜数千ｐｎ）。このため、選別手段が１回のＯＮ状態、ＯＦＦ状態時に、それぞれ照射される測定用１次イオン及びクラスターイオンは数百〜数万パルスとなる。
【００５０】
なお、選別手段をＯＮ状態とＯＦＦ状態とする時で、測定用１次イオン及びクラスターイオンの照射エネルギー値やパルス周期などを変更する必要はない。また、通常のＴＯＦ−ＳＩＭＳの１次イオン銃と同様に、選別手段をＯＮ状態とする時で、機能質量分解能を高める効果のあるパルス集束（バンチング）モードや、電磁レンズによる集光、ビームの走査を行っても良い。
【００５１】
測定用１次イオンのビーム径は、１μｍ以上、１０μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。また、試料表面へのクラスターイオン及び測定用１次イオンの照射角度は、試料台の法線方向に対して４５°以上、６０°以下とすることが好ましい。また、この範囲の角度の中でも、試料表面でのスパッタリングと、クラスターイオンの埋め込みの効果が両方、適度に生じる角度が好ましい。
【００５２】
（試料台）
本発明の装置の試料台は、真空チャンバー内に設けられており、試料を保持できるようになっている。
試料台は、選別手段がＯＦＦ状態の時に試料に負の電圧を印加し、選別手段がＯＮ状態の時に試料に正の電圧を印加するよう切り替え可能であることが好ましい。
【００５３】
図３を用いて、上記試料台に電圧を印可した場合の有機物分析の一例を説明する。まず、イオン照射手段により、試料の表面改質用にクラスターイオン２１を照射する（この時、選別手段はＯＦＦ状態となっている）。これによって、試料表面の有機分子中に多く含まれる水素原子から多数のプロトンイオン（Ｈ+）２３が生成する。このＨ+は、他の電子や中性粒子と一緒に、一旦、試料より放出される。しかし、この時、サンプルバイアス（試料台２４に印加する電圧）の極性を負に設定しておくことにより正の電荷を持つＨ+を試料表面に引き戻し、短時間の間、試料内に安定に滞留させることができる。
【００５４】
次に、このＨ+の電荷が消滅しないうちに、サンプルバイアス（試料台２４に印加する電圧）の極性を反転して正とし、これと同時に、改質した表面領域に測定用１次イオン２１を照射する（この時、選別手段はＯＮ状態となっている）。この時、試料台に印加される正電圧と、試料中のＨ+は同極性の電圧となるため、斥力によりＨ+は試料から遊離し易くなる。この結果、スパッタリング作用によって生じた中性イオンにＨ+が付着して正の電荷を持ったＨ+付加イオン２２が多数、形成される。従って、測定用１次イオン２１を照射したことによる有機分子の２次イオン２２の量が増大して、測定感度を増大させることができる。
【００５５】
また、特に、Ｈ+は有機分子との吸着性が非常に高いため、このＨ+付着のイオン生成の効果は有機分子分析において特に顕著に高くなる。すなわち、通常の細胞や組織などの有機分子で構成される試料の分析に、本発明の装置を最も好適に使用できる。この有機分子としては、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドからなる群から選択された少なくとも一種の試料を分析することができる。
【００５６】
（飛行時間型質量分析部）
次に、上記のようにして発生した２次イオンは、収束手段により電場を用いて一方向に収束されて、試料台から一定距離、離れた飛行時間型質量分析部に導入される。
【００５７】
この飛行時間型質量分析部では、試料表面から発生した２次イオンの飛行時間を測定することによって質量分析を行うことが可能となっている。すなわち、測定用１次イオンを試料表面に照射すると、試料表面の組成に応じて様々な質量をもった２次イオンが発生する。この際、軽いイオンほど速く、重いイオンほど遅い速度で飛行することとなる。このため、２次イオンが発生してから検出されるまでの時間（飛行時間）を測定することで、発生した２次イオンの質量分析を行うことが可能となる。
【００５８】
なお、本発明の装置では、測定用１次イオンが照射された試料表面の最も外側の構成成分からのみ２次イオンが発生するため、試料最表面（深さ数ナノメートル程度）の微細な情報を得ることができる。また、本発明の装置では、クラスターイオンによって試料表面を改質するため、非常に少ない測定用１次イオンの照射量で分析を行うことができ、試料表面の化学構造を壊したり劣化させたりすることがない。このため、本発明の装置は化学構造が劣化しやすい試料、例えば、タンパク質、ペプチド、糖鎖、ポリヌクレオチド、及びオリゴヌクレオチドからなる群から選択された少なくとも一種の試料の分析装置として用いることができる。更に、本発明の装置では、試料表面上を、測定用１次イオンビームを走査させることによって、試料表面のイオン像（マッピング）を測定することができる。この飛行時間型質量分析部は、連続的に２次イオンの飛行時間の測定が可能なように構成されていることが好ましい。
【００５９】
また、本発明の飛行時間型質量分析部の、２次イオンの飛行時間を測定する検出部はイオン引出電極部を有する。この飛行時間型質量分析部は、選別手段がＯＦＦ状態の時にイオン引出電極部に負の電圧を印加し、選別手段がＯＮ状態の時にイオン引出電極部に正の電圧を印加するように切り替え可能であることが好ましい。本発明の飛行時間型質量分析部では、典型的には、イオン引出電極部の試料に対する距離は約１．５ｍｍと非常に近接している。このため、ＯＦＦ状態の時にイオン引出電極部に負の電圧を印加することにより、上述の試料台のサンプルバイアスの極性を負にするのと同じ効果がある。このため、より効率的に正の電荷を持つＨ+を試料表面に引き戻して、有機分子の２次イオン量を増大させ、測定感度を向上させることができる。この結果、より効率的に２次イオンの分析を行うことができる。
【実施例】
【００６０】
（実施例１）、（比較例１）
以下に、本発明のＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置を用いて分析を行った実施例１を示す。このＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置としては、ＩＯＮ  ＴＯＦ社製  ＴＯＦ−ＳＩＭＳ５型装置（商品名）のイオン照射手段を改良したものを用いた。すなわち、イオン発生源として２以上のＢｉ原子からなるＢｉクラスターイオンを発生可能な銃（イオン発生源）を用い、第１のチョッピング機構（パルス化手段）、第２のチョッピング機構（選別手段）を設けたイオン照射手段を用いた。また、第１及び第２のチョッピング機構の回転周波数を制御できるようにした。更に、第２のチョッピング機構（選別手段）は、０．１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下の周期で、下記ＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えることが可能なようにした。
・ＯＦＦ状態：Ｂｉクラスターイオンを透過させて、イオン照射手段から試料に向かって、Ｂｉクラスターイオンを照射する試料の表面改質モード。
・ＯＮ状態：Ｂｉクラスターイオン中からＢｉ3+だけを測定用１次イオンとして選別し、イオン照射手段から試料に向かって、Ｂｉ3+だけを照射する２次イオン測定モード。
【００６１】
なお、この装置には、飛行時間型質量分析部が設けられており、試料表面から発生した２次イオンの飛行時間を測定することによって質量分析を行うことが可能となっている。
そして、上記装置を用いて、ポリペプチド膜試料の測定を行った。使用した試料の概要と、測定条件を以下に要約する。
【００６２】
試料の作成
最初に、以下のようにして試料を作成した。不純物を含まない１×１ｃｍ2シリコン基板を準備し、これをアセトン、脱イオン水の順番に洗浄した。
次に、以下の３つのポリペプチド１０ｎｇ／１μＭ水溶液をそれぞれ、ｍｉｌＱ水（超純水製造装置ＷＲ６００Ｇ、ヤマト科学社製）を用いて１ｎｇ／μｌに調製した。この後、３つのポリペプチド水溶液  各１００μｌを全て混合した混合溶液を調整した（以下、この混合溶液を「混合ポリペプチド溶液」と記載する）。
・Ａｎｇｉｏｔｅｎｓｉｎ  Ｉ（以下、「Ａｎｇｉｏｔｅｎｓｉｎ」と記載する）（Ａｓｐ−Ａｒｇ−Ｖａｌ−Ｔｙｒ−Ｉｌｅ−Ｈｉｓ−Ｐｒｏ−Ｐｈｅ−Ｈｉｓ−Ｌｅｕ（平均分子量：１２９５．５１、ＮＥＢ社製）。
・Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ（Ｇｌｕ−Ｌｅｕ−Ｔｙｒ−Ｇｌｕ−Ａｓｎ−Ｌｙｓ−Ｐｒｏ−Ａｒｇ−Ａｒｇ−Ｐｒｏ−Ｔｙｒ−Ｉｌｅ−Ｌｅｕ（平均分子量：１６７２．９６）。
・ＡＣＴＨ（１８−３９）（以下、「ＡＣＴＨ」と記載する）（副腎皮質刺激ホルモンＡｒｇ−Ｐｒｏ−Ｖａｌ−Ｌｙｓ−Ｖａｌ−Ｔｙｒ−Ｐｒｏ−Ａｓｎ−Ｇｌｙ−Ａｌａ−Ｇｌｕ−Ａｓｐ−Ｇｌｕ−Ｓｅｒ−Ａｌａ−Ｇｌｕ−Ａｌａ−Ｐｈｅ−Ｐｒｏ−Ｌｅｕ−Ｇｌｕ−Ｐｈｅ（平均分子量：２４６５．７２）。
【００６３】
次に、マイクロピペッターにより、この混合ポリペプチド溶液をシリコン基板上に２０μｌ、滴下し、自然乾燥させて直径２ｍｍ程度で膜厚が数μｍほどの膜を形成することにより試料を形成した。そして、この試料を上記装置の試料台に設置した。
【００６４】
次に、本発明の効果を適切に検証するため、同じ試料上のほぼ近傍付近位置で、本測定（実施例１）とリファレンス測定（比較例１）を行った。
【００６５】
以下に、本測定（実施例１）における分析条件を記す。
クラスターイオン：Ｂｉクラスターイオン群、１５ｋＶ  １００ｐＡ（パルス電流値）
測定用１次イオン：Ｂｉ3+、１５ｋＶ  ０．３ｐＡ（パルス電流値）
スキャニング：ｓａｗｔｏｏｔｈスキャンモード、３００×３００μｍ2
測定用１次イオン及びクラスターイオンのパルス周波数：３．３ｋＨｚ
測定用１次イオンのパルス幅：約０．８ｎｓ
測定用１次イオンのビーム直径：約３μｍ
ＯＮ状態とＯＦＦ状態のモード切替の周波数：０．１ｋＨｚ
サンプルバイアス（試料台の印加電圧）：選択手段が、ＯＦＦ状態時−３０Ｖ、ＯＮ状態時＋３０Ｖ
飛行時間型質量分析部の検出器の印加電極：測定時のみ＋２ｋＶ
積算時間：約４００秒。
【００６６】
なお、リファレンス測定（比較例１）の場合は、上記「本測定（実施例１）における分析条件」において、クラスターイオンの照射を行わず、Ｂｉ3+による測定用１次イオンの照射のみを実施した。また、このとき、サンプルバイアス（試料台の印加電圧）を常時、＋３０Ｖに設定した。
【００６７】
上記本測定（実施例１）とリファレンス測定（比較例１）により、試料の２次イオン質量スペクトルの測定を行った結果を図４に示す。なお、図４（ａ）は、本測定とリファレンス測定の広域質量領域における測定結果を表す。また、図４（ｂ）は［Ａｎｇｉｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋、図４（ｃ）は［Ｎｅｕｒｏｔｅｎｓｉｎ＋Ｈ］＋、図４（ｄ）は［ＡＣＴＨ  ＋Ｈ］＋の測定結果の拡大図を表す。図４の結果より、本発明の装置を用いることにより、何れもスペクトルの値が大きくなっており、２次イオンが効率的に検出されて測定感度が向上していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のイオン照射手段の一例を示す図である。
【図２】本発明の飛行時間型２次イオン質量分析装置による、試料の分析過程を表す概念図である。
【図３】本発明の飛行時間型２次イオン質量分析装置による、試料の分析過程を表す概念図である。
【図４】実施例１及び比較例１における２次イオン質量スペクトルの測定結果を示すスペクトル図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  イオン発生源
２  質量選択チューブ
３  第１のチョッピング機構（パルス化手段）
４  第２のチョッピング機構（選択手段）
５  測定用１次イオン
６  クラスターイオン
７  試料
１１  測定用１次イオン
１２  ２次イオン
１３  クラスターイオン
１４  試料構成物
１５  試料
２１  測定用１次イオン
２２  プロトンが付着した２次イオン
２３  試料表面のプロトン
２４  試料
２５  試料台の電圧印加手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【配列表】
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