(57)【要約】【課題】試料の最表面に存在する原子・分子を数十ｎｍの空間分解能で質量分析することができる表面微小領域質量分析装置を提供する。【解決手段】珪素やタングステンなどを材料とした探針１の先端に２，５−ジヒドロキシ安息香酸や３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸などの有機マトリックス物質２を塗布し、試料５表面近傍まで近づけ、その場所に窒素レーザー（３３７ｎｍ）やＮｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ，２６６ｎｍ）を照射し、試料原子や分子を脱離イオン化し、質量分析をする。【選択図】    図１
2004191262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）探針の先端に塗布される有機マトリックス物質と、
（ｂ）試料を位置制御させる手段と、
（ｃ）紫外パルスレーザーの照射手段とを備え、
（ｄ）前記探針を前記試料表面近傍まで近づけ、その箇所に前記紫外パルスレーザーを照射し、前記試料表面から微小領域の試料原子や分子を脱離イオン化し、質量分析を行うことを特徴とする表面微小領域質量分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の表面微小領域質量分析装置において、前記探針は珪素やタングステンからなることを特徴とする表面微小領域質量分析装置。
【請求項３】
請求項１記載の表面微小領域質量分析装置において、前記有機マトリックス物質は、２，５−ジヒドロキシ安息香酸や３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸であることを特徴とする表面微小領域質量分析装置。
【請求項４】
請求項１記載の表面微小領域質量分析装置において、前記紫外パルスレーザーは、ピコ秒からナノ秒のパルス幅を有することを特徴とする表面微小領域質量分析装置。
【請求項５】
請求項４記載の表面微小領域質量分析装置において、前記ピコ秒からナノ秒のパルス幅を有する紫外パルスレーザーは、窒素レーザー（３３７ｎｍ）やＮｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ，２６６ｎｍ）であることを特徴とする表面微小領域質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質を構成する原子や分子をイオン化して、それを質量分析する装置に関するものであり、特に、試料表面の微小領域に存在する原子や分子の質量を分析する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体表面の物質を構成する原子の質量数や分子の分子量を測定する手法として、二次イオン質量分析法やレーザー脱離イオン化法がある。
【０００３】
これらはイオンやレーザーを試料に照射して、その物理的効果や化学的効果により試料の構成原子や分子を表面から脱離させ、一部イオン化したものを質量分析器により測定するものである。
【０００４】
その場合、イオンやレーザーは集光してもμｍ程度の大きさを持つため、質量分析で得られる情報の空間分解能は最高でも直径μｍの領域となる。
【０００５】
この空間分解能を向上させるために、走査型トンネル顕微鏡とパルスレーザーを組み合わせた手法が開発されている。
【０００６】
これは試料にナノ秒パルスＮｄ：ＹＡＧレーザー（２６６ｎｍ）を照射し、タングステンなどの金属探針に数ボルトから数十ボルトのパルス電圧を印加することにより、試料表面原子を脱離イオン化させるものである。
【０００７】
この手法により、適用できる試料には制限があるが、直径数十ｎｍの空間分解能を達成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記直径数十ｎｍの空間分解能をもつ表面質量分析法においては、レーザー励起に加えてパルス電圧を用いて脱離イオン化を実現しているが、巨大分子や非電導性試料への適用ができないという対象試料の制限を受けることから、汎用性に乏しいという問題点がある。
【０００９】
例えば、たんぱく質などのように分子量が数十万になると、イオンやレーザーによる励起およびパルス電圧の支援のみでは分子のイオン化が起きない。
【００１０】
また、電圧パルスで励起するため、試料自体が電導体であることが要求され、珪素に代表される半導体や有機物などの絶縁体の測定が困難である。
【００１１】
本発明は、上記状況に鑑みて、巨大分子や非電導性の試料であっても、試料の最表面に存在する原子・分子を直径数十ｎｍの空間分解能で質量分析することができる表面微小領域質量分析装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕表面微小領域質量分析装置において、探針の先端に塗布される有機マトリックス物質と、試料を位置制御させる手段と、紫外パルスレーザーの照射手段とを備え、前記探針を前記試料表面近傍まで近づけ、その箇所に前記紫外パルスレーザーを照射し、前記試料表面から微小領域の試料原子や分子を脱離イオン化し、質量分析を行うことを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載の表面微小領域質量分析装置において、前記探針は珪素やタングステンからなることを特徴とする。
【００１４】
〔３〕上記〔１〕記載の表面微小領域質量分析装置において、前記有機マトリックス物質は、２，５−ジヒドロキシ安息香酸や３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸であることを特徴とする。
【００１５】
〔４〕上記〔１〕記載の表面微小領域質量分析装置において、前記紫外パルスレーザーは、ピコ秒からナノ秒のパルス幅を有することを特徴とする。
【００１６】
〔５〕上記〔４〕記載の表面微小領域質量分析装置において、前記ピコ秒からナノ秒のパルス幅を有する紫外パルスレーザーは、窒素レーザー（３３７ｎｍ）やＮｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ，２６６ｎｍ）であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示す表面微小領域質量分析装置の模式図である。
【００１９】
この図において、１は探針、２は有機マトリックス物質、３は紫外パルスレーザー、４は飛行時間型質量分析器、５は試料、６はガラスまたはステンレスなどからなる真空容器、７は真空ポンプである。
【００２０】
構成要素はガラスまたはステンレスなどからなる真空容器６内に設置され、真空ポンプ７により減圧される。
【００２１】
珪素やタングステンなどの材料からなる先端を針状にした探針１の先端部に２，５−ジヒドロキシ安息香酸や３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸などの有機マトリックス物質２を塗布する。
【００２２】
探針１を試料５直上に近づけ、その試料５に窒素レーザーなどのピコ秒からナノ秒のパルス幅の紫外パルスレーザー３を照射する。
【００２３】
この紫外パルスレーザー３の照射によって試料５表面から発生したイオンを飛行時間型質量分析器４などの質量分析器で質量分析し、質量スペクトルを測定する。
【００２４】
試料５表面には、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡に用いられるような探針１が表面極近傍まで近づき、また探針１表面には２，５−ジヒドロキシ安息香酸や３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸などの有機マトリックス物質２が塗布されている。この有機マトリックス物質２は紫外パルスレーザー３を吸収し、その後、この有機マトリックス物質２と試料５の表面の原子や分子との相互作用（いわゆるマトリックス支援イオン化）により、試料５表面の原子や分子は表面から脱離イオン化する。ここで発生したイオンを飛行時間型質量分析器４などの質量分析器により測定し、質量スペクトルを得る。
【００２５】
以上のような原理に基づくことにより、試料最表面の原子や分子の質量スペクトルを直径数十ｎｍの空間分解能で計測することが可能となる。
【００２６】
本発明の表面微小領域質量分析装置は、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡と同様に探針を使用していることから、原理的には直径数ｎｍ以下の空間分解能、Å以下の深さ分解能で、試料表面の原子・分子像や凹凸像が測定可能である。
【００２７】
適用例として、図２に珪素表面に吸着したたんぱく質分子（分子量１１２，５３４）の分析結果を示す。図２（ａ）では３個のたんぱく質分子が吸着しているところが原子間力顕微鏡像として観察されている。本発明の表面微小領域質量分析装置により、そのうち一分子を脱離イオン化させると、その結果、その分子の吸着していた部分がクレーター状に削り取られ、その原子間力顕微鏡像は図２（ｂ）に示すようになる。なお、図２に示されている原子間力顕微鏡像の一辺は３００ｎｍである。
【００２８】
このことから、直径数十ｎｍの領域のみの脱離に成功していることがわかる。次に、図２（ｂ）のクレーター部から脱離した分子の質量スペクトル特性を図３に示す。
【００２９】
図３から明らかなように、吸着したたんぱく質の分子量にあたる分子量１１２，５３４の分子イオンが検出されている。これらの結果より、本発明の表面微小領域質量分析装置により直径数十ｎｍの空間分解能で表面に存在する原子や分子の質量分析が達成されていることがわかる。
【００３０】
なお、上記実施例では、有機マトリックス物質として、２，５−ジヒドロキシ安息香酸と３，５−ジメトキシ−４−ヒドロキシケイ皮酸の二例を示したが、それ以外にもこれまでに百程度提案されており、それらを用いるようにしてもよい。
【００３１】
このように、本発明によれば、たんぱく質のような分子量十万以上の巨大分子でも脱離イオン化することができ、かつ質量分析の空間分解能が直径数十ｎｍと高分解能を有する。
【００３２】
すなわち、数十ｎｍの空間分解能で原子・分子の質量スペクトルが得られることから微小領域の原子や分子の同定が可能となり、本発明は走査型プローブ顕微鏡や近接場光学顕微鏡を用いた測定では困難な分子同定という課題を解決できる。
【００３３】
また、電界などを用いないことから非電導体への適用を可能とした。
【００３４】
これらの特徴により、金属表面の吸着分子の同定はもちろんのこと、半導体表面吸着分子の同定、半導体表面構成原子の同定、さらには生体細胞膜のたんぱく質のような巨大分子の同定やその挙動解明に資することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３７】
（Ａ）表面構成物質のイオン化に有機マトリックス支援効果を用いるようにしたので、巨大分子のイオン化が可能になる。
【００３８】
（Ｂ）有機マトリックス物質を探針に塗布するようにしたので、直径数十ｎｍの空間分解能を達成することができる。
【００３９】
（Ｃ）パルス電圧を用いずに脱離イオン化を実現することにより、半導体試料、絶縁体試料にも適用可能になる。
【００４０】
このように、表面構成物質のイオン化に有機マトリックス支援効果を用い、かつそのイオン化に用いられる有機マトリックス物質は探針に塗布されていることから、その影響は探針が接触する数十ｎｍの領域にしか効果が及ぶことがないので、試料の最表面に存在する原子・分子を数十ｎｍの空間分解能で質量分析することができる。また、分子量１０万以上の巨大分子の脱離イオン化や数十ｎｍの空間分解能での質量分析が可能となるので、たんぱく質のような巨大分子のイオン化や絶縁体試料にも適用でき、かつ表面の原子オーダーの凹凸像も観察可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す表面微小領域質量分析装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す珪素表面に吸着したたんぱく質分子の分析結果を示す図面代用の原子間力顕微鏡像である。
【図３】図２におけるクレーター部から脱離した分子の質量スペクトル特性を示す図である。
【符号の説明】
１    探針
２    有機マトリックス物質
３    紫外パルスレーザー
４    飛行時間型質量分析器
５    試料
６    真空容器
７    真空ポンプ
【図１】
2004191262.tif 000003
【図２】
2004191262.tif 000004
【図３】
2004191262.tif 000005