(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物から、１６００Ｌ／ｓの排気速度の排気ポンプ（６）により真空度を上げて１０-5トルの圧力下にした超臨界流体ジェット発生装置（１）内で、繰り返し２０Ｈｚで電磁パルスバルブ（５）により超音速ジェット流を発生させて、
前記ジェット発生装置（１）の出口に設けた開口径２ｍｍの第１のスキマー（８）で前記超音速ジェット流から分子線（Ｍ）を切り出し、排気ポンプ（９）により真空度を上げて１０-5トル以下の圧力下にした差動排気室（１０）を通過させて開口径２ｍｍの第２のスキマー（１２）を介して排気ポンプ（１４）により真空度を上げて１０-6トルの圧力下にしたレーザー照射室（１３）に導入し、
該レーザー照射室（１３）で分子線（Ｍ）をレーザー（Ｌ）によりイオン化し、排気ポンプ（１７）により真空度を上げて１０-7トルの圧力にしたフライト・チューブ（１８）内に導き、
該フライト・チューブ（１８）内に配置されたイオン検出器（１６）でイオンを収束させてイオンを検出し、
該イオン検出器（１６）で検出されたイオンから分子間衝突のない分子の基底状態の前記試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンを質量分析する
ことを特徴とする超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法。
【請求項２】
前記超臨界流体と前記試料の混合物に２５容量％以下の水、メタノール、エタノール、ジオキサン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル又はジエチルエーテルからなるモディファイアー群の少なくともいずれかを添加することを特徴とする請求項１記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法。
【請求項３】
超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物から超音速ジェット流を発生させる、１６００Ｌ／ｓの排気速度の排気ポンプ（６）により真空度を上げて１０-5トルの圧力下にした超臨界流体ジェット発生装置（１）と、
前記混合物から、前記超臨界流体ジェット発生装置（１）内で１０-5トルの圧力下で繰り返し２０Ｈｚの超音速ジェット流を発生させる電磁パルスバルブ（５）と、
前記ジェット発生装置（１）の出口に設けられた開口径２ｍｍの第１のスキマー（８）を介して、前記電磁パルスバルブ（５）から噴射した超音速ジェット流より分子線（Ｍ）を切り出して通過させる、排気ポンプ（９）により真空度を上げて１０-5トル以下の圧力下にした差動排気室（１０）と、
入口に設けられた開口径２ｍｍの第２のスキマー（１２）を介して前記第１スキマー（８）を通過した分子線（Ｍ）を導入して、該分子線（Ｍ）をレーザー（Ｌ）によりイオン化する、排気ポンプ（１４）により真空度を上げて１０−6トルの圧力下にしたレーザー照射室（１３）と、
排気ポンプ（１７）により真空度を上げて１０-7トルの圧力下にしたフライト・チューブ（１８）と該フライト・チューブ（１８）内に設けられ、前記レーザー照射室（１３）から導入されたイオン化された分子線（Ｍ）を収束させて、イオンを検出するイオン検出器（１６）と該イオン検出器（１６）で検出されたイオンから分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンのデータに基づき質量スペクトル及び共鳴多光子イオン化スペクトルを測定して質量分析をするパーソナルコンピューター（２３）
を備えたことを特徴とする超臨界流体ジェット法を用いる質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体に溶解した不揮発性の試料混合物又は超臨界流体に溶解した熱分解性試料の混合物を、超音速ジェット法を用いて極低温・孤立状態の気相状態として真空中で分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体を得る方法及び、前記超音速ジェット流中の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体を共鳴多光子レーザーイオン化法により選択的にイオン化して分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体の質量分析する分析技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
質量分析は環境汚染物質の微量分析やタンパク質等の生体分子又は分子会合体の構造決定などの分野で不可欠の技術となっている。質量分析技術は、１）試料の真空中への導入（インターフェイス）及び気化・イオン化、２）高分解能化、３）高感度化の３つの課題があり、それぞれの課題について様々な手法が提案されている。【０００３】
質量分析技術の汎用性を高めるためには、前記１）の新技術開発が不可欠である。気体試料、揮発性試料又は加熱により容易に気化可能な試料は、気化後、真空中に導入してレーザーや電子銃などを用いてイオン化すればよいが、不揮発性試料や熱分解性試料に対しては、いかに試料を分解させずに気化し、イオン化するかが大きな課題となっている。現在のところ不揮発性試料や熱分解性試料の気化方法として主に次の２つの方法が実用化されている。【０００４】
１つはレーザーを用いて瞬間的に加熱・気化させる方法（レーザー蒸発法）である。この方法は、元来金属の気体を得るために開発された方法である。レーザーを試料に集光すると、試料は瞬間的に数千℃に加熱され、試料が気化する。しかし、有機分子に同様のレーザー法を適用すると、多光子吸収により分子の解離が起こり、多量のフラグメントが生成し、質量スペクトルの解析が困難となる。  
これを解決するために目的試料をマトリックス担体に埋め込み、マトリックス担体だけが吸収する波長のレーザー光を用いることにより、目的試料の解離を防ぐことができる。これをマトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）法という。【０００５】
もう１つの方法は試料溶液を作成し、そこから溶媒を取り去ることにより気化する方法である。電解質試料の場合は、その溶液からエレクトロスプレーを用いてイオンを取り出し、オリフィスを通じて真空中に導入する方法（エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法）が用いられる。【０００６】
また、試料溶液を、ヒーターで加熱されたキャピラリーに導入して気化し、真空中に噴射するサーモスプレー（ＴＳ）法などもある。【０００７】
これらの方法は、いかに溶媒を取り除くかが技術開発の鍵になっているが、より除去しやすい溶媒として超臨界流体（液化ガス）を用いる方法がある（超臨界質量分析（ＳＣＦ−Ｍａｓｓ））。この方法を用いて試料の超臨界流体溶液を極細のキャピラリーを通じて真空中に導入すると、直ちに溶液溶媒と試料は気化する。【０００８】
また、炭酸ガスなどの超臨界流体（液化ガス）を用いて分子の質量分析をする方法については、非特許文献１などに記載されている。【０００９】
次に前記気化された試料のイオン化法として知られているＭＡＬＤＩ法又はＥＳＩ法は試料の気化とイオン化を同時に行っている。ガス（液体）クロマトグラフィーと接続して用いられている一般的な質量分析器、ＴＳ法又はＳＣＦ−Ｍａｓｓ法などでは、気体試料を何らかの方法でイオン化する必要がある。【００１０】
最も一般的に用いられているのは放電や電子銃を用いた電子衝撃イオン化法である。この方法は装置的に安価で保守も簡単である反面、イオン化の際に分子に与える過剰エネルギーが非常に大きいために、試料分子の解離（分解）を抑えることが難しい。そのために、質量スペクトルには多量のフラグメントのピークが現れ、非常に煩雑な解析が必要となる。【００１１】
これに対してレーザーイオン化法では、レーザーの波長を選択することでイオン化に際して過剰エネルギーを容易に抑えることができ、その結果、試料分子の解離を抑えることができる。そのため、この方法はソフトイオン化法と呼ばれることがある。【００１２】
ところで、質量分析法は文字通り試料の分子量を測定する方法であるが、当然のことながら試料分子又は分子会合体の異性体を選別することはできないし、さらに分子量データだけでは試料分子又は分子会合体の分子構造の詳細な情報を得ることは不可能である。しかし、気化した試料分子又は分子会合体をレーザーによりイオン化するレーザーイオン化法を用いれば、気化試料に様々なレーザー分光法を適用することができ、試料分子又は分子会合体の分子構造に関する非常に詳細な情報が得られ、また電子遷移エネルギーの違いを利用して試料分子又は分子会合体の異性体を分離して観測することもできる。【００１３】
ただし、試料分子又は分子会合体が様々な振動状態に熱分布していると、始状態の異なる様々な遷移が同時に観測されるために非常に複雑なスペクトルとなり、解析が困難になるばかりか、分子選択性が劣ることになる。この問題を解決するためには、試料分子を冷却して分子を最低エネルギー状態（基底状態）にしてやればよい。これを可能にするのが超音速ジェット法である。試料ガスと希ガスなどのキャリアーガスの混合ガスをオリフィスを通じて真空中に断熱膨張させると、気化した試料分子を含む超音速ジェットが発生する。【００１４】
従来ヘリウムガスなどのキャリアーガスと混合ガスを形成し得る「揮発性の物質（揮発性は試料固有の蒸気圧で決まる）」とを混合して得られた混合ガスをオリフィスから真空中にジェット噴射して、分子間衝突のない極低温状態（分子の基底状態）の気化した試料分子を含み得ることで試料分子の内部のエネルギー状態を認識することができることは本発明者らの下記非特許文献２記載の研究を含めて知られている。【００１５】
また、特開２００３−３２９５５６号公報（特許文献１）には、広範囲の種類の分子、特に、高温加熱により分解する分子あるいは高温で加熱しても昇華しない中性分子のビームを発生させることができ、かつ生成された中性分子ビームに含まれる分子およびクラスターをイオン化し、質量分析や分光測定などを行うことができる分子ビーム発生方法と装置が開示されている。
【非特許文献１】T. Sakamoto, A. Yamamoto, M. Owari and Y. Nihei "Development of a Supercritical Fluid Extractor Coupled with a Time-of-Flight Mass Spectrometer for Online Detection of Extracts" Analytical Sci. 19, 853(2003).
【非特許文献２】S. Ishiuchi, K. Daigoku, K. Hashimoto and M. Fujii "Four-color hole burning spectra of phenol/ammonia 1:3 and 1:4 clusters" J. Chem. Phys.  120, 3215 (2003).
【特許文献１】特開２００３−３２９５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記した超音速ジェット法により、分子の最低エネルギー状態（基底状態）にした試料はヘリウムガスなどのキャリアーガスと混合ガスを形成し得る容易に気化し得る「揮発性の物質」でしか得られなく、不揮発性又は熱分解性の高分子などの物質は加熱しない限り、気化させることができず、分子間衝突のない極低温の孤立状態の試料分子又は分子会合体は得られなかった。【００１７】
また、前記ＳＣＦ−ＭＡＳＳ法では、電解質・非電解質分子を問わず、または不揮発性又は熱分解性の試料及び熱的に不安定な試料などは炭酸ガスなどの超臨界流体（液化ガス）を用いて「高温に」加熱しなくても、質量分析ができる。しかし、従来のＳＣＦ−ＭＡＳＳ法では、熱的に励起した状態の試料分子又は分子会合体の情報しか得られず、また試料の質量分析には質量のみ測定できれば良いので、分子又は分子会合体の基底状態の試料を得る必要がなかった。【００１８】
特許文献１（特開２００３−３２９５５６号公報）記載の発明は、後で詳細に説明するように溶液試料を噴霧的導入手段により、小開口部を介して噴霧室に送出し、送出された試料の霧状溶液に、ガスを衝突させることによって、あるいは霧状溶液を加熱することによって、溶媒分子を剥ぎ取った溶質分子を生成し、次いで、その溶質分子を小開口部を介して低気圧側空間に送り出すことからなる小開口部から試料を低気圧側空間に噴霧させて試料分子のビームを発生させる方法である。【００１９】
特開２００３−３２９５５６号公報記載の発明は、図６に示す不揮発性試料の気化を第１送出手段５４で行い、ジェット冷却を第２送出手段５５で行っている。この方法のように不揮発性試料の気化とジェット冷却を二段階で行うと、ジェット冷却の前に冷えて固体となってしまう可能性がある。またそれを防ぐために、第２送出手段５５の流速を高めて、不揮発性試料が冷えて固体として析出する前に真空装置５６に導入する連続導入方式（パルスバルブではなくピンホールにより連続的に真空中に導入する方法）を採用するためには、よほど大排気速度のポンプを用いない限り高真空度を保つことができず、その結果として通常の真空装置では十分なジェット冷却効果が得られない。
【００２０】
そこで、本発明の課題は、超臨界流体を用いて、不揮発性又は熱分解性の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体及び熱的に不安定な試料分子又は該試料分子を含む分子会合体などの基底状態の試料分子が得られる分析方法と装置を確立することである。【００２１】
また、本発明の課題は、超臨界流体を用いて不揮発性又は熱分解性の分子又は該分子を含む分子会合体及び熱的に不安定な分子又は分子会合体などをイオン化した試料を得て、当該イオン化した分子又は分子会合体の内部エネルギー状態又は該分子又は分子会合体構造の詳細情報を得る方法と装置を確立することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。  
請求項１記載の発明は、超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物から、１６００Ｌ／ｓの排気速度の排気ポンプ（６）により真空度を上げて１０-5トルの圧力下にした超臨界流体ジェット発生装置（１）内で、繰り返し２０Ｈｚで電磁パルスバルブ（５）により超音速ジェット流を発生させて、
前記ジェット発生装置（１）の出口に設けた開口径２ｍｍの第１のスキマー（８）で前記超音速ジェット流から分子線（Ｍ）を切り出し、排気ポンプ（９）により真空度を上げて１０-5トル以下の圧力下にした差動排気室（１０）を通過させて開口径２ｍｍの第２のスキマー（１２）を介して排気ポンプ（１４）により真空度を上げて１０-6トルの圧力下にしたレーザー照射室（１３）に導入し、
該レーザー照射室（１３）で分子線（Ｍ）をレーザー（Ｌ）によりイオン化し、排気ポンプ（１７）により真空度を上げて１０-7トルの圧力にしたフライト・チューブ（１８）内に導き、
該フライト・チューブ（１８）内に配置されたイオン検出器（１６）でイオンを収束させてイオンを検出し、
該イオン検出器（１６）で検出されたイオンから分子間衝突のない分子の基底状態の前記試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンを質量分析する
ことを特徴とする超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法である。
【００２３】
上記試料は、電解質・非電解質物質を問わず、不揮発性又は熱分解性の試料又は熱的に不安定な試料などである。  
なお、試料分子の分子会合体は試料分子をジェット噴射した際に生成される。
この超臨界流体ジェットは以下に説明する、不揮発性の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料分子又は分子会合体の基底状態をレーザーイオン化法による質量分析する方法に適用できるだけでなく、不揮発性・熱分解性試料を非破壊的に気化する方法として、該不揮発性・熱分解性分子の分子線エピタキシャル法による構造多層膜の製作、固体表面のスパッタリングによる平坦化（フレキシブルな分子を衝突させることにより、原子を衝突させた場合より平坦な表面が得られる）などに利用可能である。
【００２４】
請求項２記載の発明は、前記超臨界流体と前記試料の混合物に２５容量％以下の水、メタノール、エタノール、ジオキサン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル又はジエチルエーテルからなるモディファイアー群の少なくともいずれかを添加することを特徴とする請求項１記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法である。
【００２５】
請求項３記載の発明は、超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物から超音速ジェット流を発生させる、１６００Ｌ／ｓの排気速度の排気ポンプ（６）により真空度を上げて１０-5トルの圧力下にした超臨界流体ジェット発生装置（１）と、
前記混合物から、前記超臨界流体ジェット発生装置（１）内で１０-5トルの圧力下で繰り返し２０Ｈｚの超音速ジェット流を発生させる電磁パルスバルブ（５）と、
前記ジェット発生装置（１）の出口に設けられた開口径２ｍｍの第１のスキマー（８）を介して、前記電磁パルスバルブ（５）から噴射した超音速ジェット流より分子線（Ｍ）を切り出して通過させる、排気ポンプ（９）により真空度を上げて１０-5トル以下の圧力下にした差動排気室（１０）と、
入口に設けられた開口径２ｍｍの第２のスキマー（１２）を介して前記第１スキマー（８）を通過した分子線（Ｍ）を導入して、該分子線（Ｍ）をレーザー（Ｌ）によりイオン化する、排気ポンプ（１４）により真空度を上げて１０−6トルの圧力下にしたレーザー照射室（１３）と、
排気ポンプ（１７）により真空度を上げて１０-7トルの圧力下にしたフライト・チューブ（１８）と該フライト・チューブ（１８）内に設けられ、前記レーザー照射室（１３）から導入されたイオン化されら分子線（Ｍ）を収束させて、イオンを検出するイオン検出器（１６）と該イオン検出器（１６）で検出されたイオンから分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンのデータに基づき質量スペクトル及び共鳴多光子イオン化スペクトルを測定して質量分析をするパーソナルコンピューター（２３）
を備えたことを特徴とする超臨界流体ジェット法を用いる質量分析装置である。
【００２９】
本発明で使用する超臨界流体は二酸化炭素、酸化二窒素（亜酸化窒素）、フッ化炭化水素などである。【００３０】
本発明で、試料の溶解用の流体（以降、キャリアと称する）として「ヘリウムガス」でなく炭酸ガスなどの「超臨界流体」を用いる理由は次の通りである。  
ヘリウムの場合はガスであるので、試料を「溶かし出す」という機能はなく、試料固有の蒸気圧に従って試料は気化してヘリウムとの混合ガスになる。ヘリウムガスなどの通常のガスをキャリアとして用いる場合はキャリアの種類に関係なく、試料の「溶け出る」量はそれぞれの試料分子固有の飽和蒸気圧だけで決まる。従って、ナフトールなどの不揮発性の試料分子又は分子会合体はヘリウム中においても加熱しない限り気化しない。【００３１】
すなわち、ガスキャリアと混合ガスを形成し得る「容易に気化しうる試料」であれば、ジェット冷却法により最低エネルギー状態の当該試料分子又は分子会合体を得ることができる。しかし、ガスキャリアでは不揮発性物質を加熱しなければ気化させることができない。試料が熱分解性物質であると、加熱すれば解離（分解）してしまうので、このような試料にはガスキャリアを用いるジェット冷却法を適用することができない。【００３２】
一方、炭酸ガスなどの超臨界流体は液体としての性質をもっており、試料分子又は分子会合体を「溶かし出す」溶媒としての能力があり、この点がヘリウムのような単なるガスと異なる。超臨界流体の場合は流体の種類や圧力によって「溶け出る」量は変わり、また、微量の前記添加物（モディファイアー）を加えることによっても変化する。このような性質はヘリウムなどのガスではありえない。【００３３】
本発明の大きな特徴の一つは、超臨界流体の液体−気体の２面性を利用していることであり、超臨界流体の試料を溶かし出すための溶媒としての液体の性質と真空中にジェット噴射する際のキャリアーガスとして気体の性質を用いていることである。【００３４】
本発明により、はじめて電解質、非電解質分子を問わず、不揮発性、熱分解性及び熱的に不安定な試料を高温に加熱せずに気化させて真空中にジェット冷却されたガスとして取り出すことができるようになった。【００３５】
超臨界流体は１００気圧を超える高圧流体であるため、これを高真空度の容器内にジェット噴射するためには装置の工夫が必要である。十分なジェット冷却効果を得るためには真空容器内をジェット噴射時でも１０-4Torr以下の真空度に保つ必要がある。コストを度外視すれば、ピンホールを用いて連続的にガスを噴出させ、流入するガスを巨大なポンプで高速排気する方法もあるが、パルスバルブを用いて断続的にガスを噴射した方が低排気速度のポンプでも十分な高真空度を得ることができ、また、ガスの消費量も軽減できるため、コスト的に有利である。【００３６】
ここで、前記「冷却」は通常の意味での冷却、つまり温度が低い状態という意味ではないので注意を要する。そもそも温度とは熱平衡状態、つまりボルツマン分布に従う状態に対して適用される概念であり、真空中にジェット噴射しているガスは熱平衡状態ではないため、通常の意味での温度という概念は当てはまらない。上記「冷却」には２通りの意味があり、それぞれでメカニズムが次のように異なる。【００３７】
一つは、並進速度がそろうということである。これがなぜ「冷却」なのかというと、複数の分子の並進速度がそろうと相対速度がゼロとなるので、ボルツマン温度としてはゼロになるからである。このような過程は高圧から低圧（真空又はそれに近い圧力が好ましい）に一気にガスを噴射することに伴って起こる現象であり、並進速度のそろう程度は前記高圧と低圧の圧力差が大きいほど良く、そのためにはガスを噴射する際のオリフィス径は小さい方がよい。【００３８】
もう一つの「冷却」は分子内部エネルギー（振動・回転エネルギー）の冷却である。分子内部状態の冷却は、試料分子がオリフィスを通過する際にキャリアー分子との非弾性衝突により、分子内部エネルギーがキャリアー分子の並進速度に転換される過程で起こる。従って、大きい圧力差を作るという意味ではオリフィス径は小さい方がよいが、分子の平均自由行程より小さい径のオリフィスを用いると、オリフィスを通過する際に充分な分子間衝突が起こらないため、試料分子の内部状態は冷却されない。このようなガス流を漏れジェットと呼ぶ。従来のＳＣＦ−Ｍａｓｓ法のように極細キャピラリーを用いた超臨界流体の真空導入法では、キャピラリー出口付近に向かって減圧勾配が生じており、また開口径も非常に小さいため、典型的な漏れジェットとなる。この「冷却」過程は前記衝突が重要で、十分な衝突が起こるためには、オリフィスは少なくとも試料分子の平均自由行程より大きい径である必要がある。従って、内部エネルギーの冷却に対してはオリフィス径は大きい方がよいということになる。【００３９】
以上の２つの「冷却」過程の最適条件はジェット噴射ノズルのオリフィス径という観点からすると相反することになり、これら最適条件を両立させるためには、前記オリフィス径を大きくして十分な内部エネルギー冷却効果を確保しつつ、且つ試料分子又は分子会合体のジェット噴射前後の雰囲気の圧力差が大きくなるようにするためにジェット噴射する容器内を大排気速度の真空ポンプを用いて高い真空度に保つ必要がある。  
ここで、「内部エネルギー」とは各気体分子の振動・回転エネルギーのことを指す。一般に熱力学でいう内部エネルギーはこれらの気体分子の運動エネルギーも含めたものを指すので注意を要する。【００４０】
また、上記したことから「ジェット冷却」とは、様々なエネルギー状態を並進運動エネルギーに転換し、内部エネルギー状態を単色化（光のエネルギーは波長つまり「色」で決まるので、光だけでなく一般的にエネルギー状態をそろえることを「単色化」という）する過程ということになる。【００４１】
また、ジェット噴射室内は１０-4〜１０-5Torr程度の真空度であるが、質量分析器内は１０-7Torr程度の高真空度が要求されるため、両者の接続には工夫を要する。さらにジェット噴射室で得られた超音速ジェット流をジェット冷却効果を保ったまま質量分析器内に導入する点にも工夫が必要である。そこで、本発明ではジェット発生装置と質量分析器の間に差動排気室を設け、ジェット発生装置と差動排気室の間のガス流路にスキマーを設け、更に差動排気室と質量分析器の間のガス流路にもスキマーを設けた。【００４２】
スキマーは通常のピンホールとは異なり、当該スキマーの先端が鋭利なエッジ状の断面を有する開口部を備えているので、該開口部を通過する際の超音速分子線の散乱を極力防止することでジェット冷却状態のガスは熱的励起が起こりにくい。【００４３】
ガスがピンホールを通過する際にピンホールのエッジ付近でのガス分子の散乱によって熱的に励起されるが、通常の質量分析では熱的な励起の有無は問題ないが、本発明の目的とする試料分子又は分子会合体の内部構造を知るためには、試料分子又は分子会合体を熱的励起されていない基底状態に保つことが必要であるので、スキマーを使用した。【００４４】
なお、スキマーの開口径はどのくらいの「太さ」の分子線を必要とするかということで決まり、本発明においては、分子線にレンズで集光したレーザー（焦点径は数μｍ）を照射するため、原理的にはレーザーの集光径程度の「太さ」の分子線を用いればよいが、開口径の小さいスキマーの製作が困難であることと、レーザー光を細い分子線に集光するのが難しいため、本発明では開口径が２ｍｍ程度のスキマーを使用した。【００４５】
なお、ジェット冷却装置、差動排気室及び質量分析器はそれぞれ独立した分子ターボポンプで気圧調整が行われるので、前記した互いに大きな気圧差があっても、それぞれ所定の気圧に維持できる。【００４６】
また、超臨界流体に微量の添加物（モディファイアー）を加えると超臨界抽出能力が向上することが知られており、０〜２５容量％のモディファイアーを添加しても良い。【００４７】
モディファイアーの添加割合は送液ポンプの性能もあるので、加える量の下限値は指定できないが、上限値は２５容量％までである。例えば全圧１００気圧の場合、超臨界炭酸ガスに２５容量％のモディファイアーを添加すると炭酸ガス分としては７５気圧になり、これは炭酸ガスの臨界圧力（この圧力よりも高いと超臨界流体と見なせるおよその目安）７２．９気圧に近く、流体としての性質が低下するためである。また、モディファイアーを多量に添加すると、試料分子又は分子会合体にモディファイアー分子が多量に付着したクラスターが生成してしまうため、質量分析の際に障害となる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、次のような効果がある。  
１．低温で不揮発性、熱分解性の分子又は分子会合体の気相孤立状態を生成することができ、これまで不可能であった生体分子などの熱分解性試料や高分子量の機能性分子の超音速分子線レーザー分光研究を可能にする。  
２．基礎科学研究への貢献のみならず、近年のナノテクノロジー研究で創製された様々な機能性分子の評価・測定技術の確立、分子会合体の構造や電子構造の研究に威力を発揮する。  
３．生体における分子認識メカニズムの解明に適用できる。  
特に神経伝達物質に着目し、超臨界流体ジェット法により神経伝達物質とレセプターの会合体を分子線中に生成し、様々なレーザー分光法を用いて分子認識メカニズムに対して分子論的にアプローチすることができる。  
４．従来のＳＣＦ−Ｍａｓｓ法の漏れジェットを超音速ジェットにすることにより、共鳴多光子レーザーイオン化法を適用可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
図１に本発明の質量分析のための実験装置の全体図を示す。実験方法は次のようにして行った。  
ボンベ４０内の一般炭酸ガス（（株）巴商会製：９５容量％濃度の炭酸ガス）を液化炭酸送液ポンプ４１（日本分光（株）製：ＳＣＦ−Ｇｅｔ）で加圧・液化し、定流量モードで送液した（５ｍｌ／ｍｉｎ）。モディファイアーとしてメタノール（和光純薬（株）製：純度９９．８％）を用い、ＨＰＬＣ送液ポンプ４２（日本分光（株）製：ＰＵ−２０８０）で０．２ｍｌ／ｍｉｎの流速で定流量モード送液し、液化炭酸ガスと混合（およそ４容量％）する。【００５０】
得られた混合物を予熱用オーブン４４（日本分光（株）製：ＳＣＦ−ＬＲＯ）にて５０℃に加熱し、超臨界状態とした。モディファイアー添加超臨界炭酸ガスを自動調圧バルブ４５（日本分光（株）製：ＳＣＦ−Ｂｐｇ）に導入し、１００気圧に保った。【００５１】
自動調圧バルブ４５の手前で分岐した定圧のモディファイアー添加超臨界炭酸ガスを真空装置（超臨界流体ジェット発生装置）１内に設置したサンプルホルダー２に導入した。サンプルホルダー２をヒーター３で５０℃に加熱し、１−ナフトール（東京化成工業（株）純度９８％を真空昇華精製）を抽出した。サンプルホルダー２の直下に設置した電磁パルスバルブ５（テルアヴィヴ大学装置製作室製：ＥＬ−７−３−２０００）で繰り返し２０Ｈｚで超臨界流体ジェット発生装置（ジェット噴射室）１内に噴射した。【００５２】
検証実験の試料として用いた１−ナフトールの融点は２８８℃であり、通常１００℃前後に加熱しないと充分な濃度の試料ガスを得ることができない。そこで、前述のように５０℃、１００気圧で約４容量％のメタノールを添加した超臨界二酸化炭素に溶かし、これをパルスバルブ５を通じて真空中にジェット噴射したものである。【００５３】
超臨界流体ジェット発生装置１を排気速度１６００リットル／ｓのターボ分子ポンプ６（ファイファー社（ドイツ）製：ＴＭＨ−１６０１Ｐ）で排気した。ジェット噴射時の真空度は９×１０−５Ｔｏｒｒであった。発生した超音速ジェット流を開口径２ｍｍのスキマー８（ビームダイナミクス社製：Ｍｏｄｅｌ−２）で分子線Ｍに切り出した。得られた分子線Ｍは排気速度４８０リットル／ｓのターボ分子ポンプ９（エドワーズ社（イギリス）製：ＳＴＰ−４５１）を設置した差動排気室１０を通過後、上記と同じ型式のスキマー１２を介してレーザー照射室１３に導入した。レーザー照射室１３はターボ分子ポンプ１４（ターボ分子ポンプ９と同じ型式）で排気したが、ジェット噴射時のレーザー照射室１３の真空度は１×１０−６Ｔｏｒｒであった。【００５４】
レーザー照射室１３において分子線Ｍは図２に示すイオンレンズ系のリペラー電極３１とエクストラクター電極３２のちょうど中間を通過する。ここに波長可変紫外レーザーＬを集光し、イオン化した。発生した正イオンを３枚の電極（リペラー：３．５４ｋＶ，  エクストラクター：１．１４ｋＶ，  アインツェルレンズ初段：０Ｖ）で分子線に対して直角方向に引き出した。アインツェルレンズ３３（初段・後段：０Ｖ，中段：１．５４ｋＶ）及び偏向電極３４で軌道補正し、ターボ分子ポンプ１７（ターボ分子ポンプ９と同じ型式）で排気した１．８ｍのフライト・チューブ１８（真空度：５×１０-7Ｔｏｒｒ）を経てＤａｌｙ型イオン検出器１６上に収束させて、イオンを検出した。【００５５】
Ｄａｌｙ型イオン検出器１６の詳細構成を図３に示すが、負高電圧（−１０ｋＶ）を印加したアルミニウム製の標的３５とシンチレーター３６（応用光研（株）製：ＮＥ１０２Ａ）及び光電子増倍管３７（浜松フォトニクス（株）製：Ｒ１４５０）により構成されている。正イオンはアルミニウム製標的３５に引き込まれて衝突する。すると、アルミニウム表面から２次電子が放出され、さらにこれがシンチレーター３６で光信号に変換されて光電子増倍管３７で検出される。光電子増倍管３７からの電流出力は１ｋΩの抵抗で電圧信号に変換され、前置増幅器２１（（株）エヌエフ回路設計ブロック製：ＢＸ−３１Ａ）で１０倍に増幅され、デジタルオシロスコープ２２（岩通計測（株）製：ＤＳ−４３７４）で記録した。さらにデジタルオシロスコープ２２からパーソナルコンピューター２３にデーター転送し、パソコン２３上で質量スペクトル及びＲＥＭＰＩ（共鳴多光子イオン化）スペクトルを記録した。
【００５６】
なお、波長可変紫外レーザーはＹＡＧレーザー（スペクトラフィジクス（株）製：ＩＮＤＩ−４０）励起の波長可変色素レーザー（ジラー社（ドイツ）製：Ｃｏｂｒａ−Ｓｔｒｅｔｃｈ）を自動位相整合角追尾装置（インラッド社（アメリカ）製：ＡＵＴＯ  ＴＲＡＣＫＥＲ  ＩＩＩ）内の非線形光学結晶（インラッド社（アメリカ）製：ＫＤＰ）にて２倍波に変換して得られた。レーザー装置は電磁パルスバルブに同期して２０Ｈｚの繰り返しでパルス幅数ナノ秒のパルスレーザーを発生する。ＮＤフィルターを用いてレーザー強度を数μＪ／ｐｕｌｓｅに落とし、焦点距離２２０ｍｍの合成石英製レンズでレーザー照射室１３内に集光した。【００５７】
図４に得られた質量スペクトルを示す。１−ナフトールの他、わずかではあるが１−ナフトールに少数の二酸化炭素が付着したクラスターが観測された。この結果は、超臨界二酸化炭素が１−ナフトールに多量に付着して液滴を形成することがない、つまり超臨界二酸化炭素が質量スペクトル測定の妨げにはならないことを示している。【００５８】
また図５に１−ナフトールのピークをモニターしながら、イオン化レーザーの波長を掃引して得られたＲＥＭＰＩスペクトルの結果を示す。  
掃引したイオン化レーザーの波長領域では１−ナフトールは２光子を同時に吸収することでイオン化する。この時、１光子目が１−ナフトールの内部量子状態に共鳴すると、共鳴効果により２光子吸収確率が急激に高くなり、イオン量のピークが観測される（共鳴多光子イオン化スペクトル）。十分にジェット冷却された分子の共鳴多光子イオン化スペクトルのピークはシャープな形状を示すことが知られており、本実施例の超臨界流体ジェット法が十分なジェット冷却効果を有することを示している。図５に見られように本実施例のシャープなピークは、１−ナフトールの第一電子励起状態のゼロ振動準位（最も低エネルギー側（図５の左側）のピーク）及び振動励起準位（図５の右側の複数のピーク）である。【００５９】
なお、本発明と特開２００３−３２９５５６号公報（特許文献１）記載の発明とを比較すると以下のようなことがいえる。【００６０】
特許文献１記載の発明（図６参照）では次のような問題点がある。  
すなわち、通常の溶媒は分子間力が強いため（従って常温では液体をなしている）、噴霧室５１で噴霧し、かつ窒素やアルゴンガスとの衝突だけで不揮発性分子（加熱しても気化しない試料）を溶かした溶媒分子をはぎ取るのは難しい。図６に示すように、特許文献１記載の発明では、試料溶液５２から微粒子状の試料５３を第１送出手段５４を経て１気圧程度のヘリウムガスが流れる噴霧室５１内に送出する微粒子状の試料５３は濃度型開溶液微粒子或いは溶液超微粒子の状態であるとしているが、理想的に、ここで試料を溶かした溶媒分子をはぎ取ることができて、試料分子が１分子ごとに互いに遊離したバラバラの状態（気体状態）にできたとしても、この１気圧程度の噴霧室５１内から第２送出手段５５を用いて超音速ジェット噴流として真空装置５６に前記１分子ごとに互いに遊離した試料分子を導入すると（この過程でジェット冷却が生じる）、ジェット噴射の際の試料分子（溶質分子）、溶媒分子、脱溶媒分子（前記窒素やアルゴンガス）との三体衝突により、試料分子（溶質分子）に溶媒分子が多量に付着したクラスター（前記窒素やアルゴンガスに衝突する前の液滴状態）が生成してしまう。このような多量体クラスターは質量分析装置５７での質量スペクトル解析を煩雑化させるだけでなく、イオン化レーザーの波長を掃引することによる分光学的な測定も困難にする。  
従って、特許文献１の実施例では、質量分析装置５７の結果を試料分子の飛行時間と信号強度の関係を示すデータしか得られていない。
【００６１】
これに対して本発明の実施例では図４に得られた質量スペクトルを示すように、試料分子（１−ナフトール）の他に、わずかではあるが１−ナフトールに少数の二酸化炭素が付着したクラスターが観測されただけであり、また図５に示す共鳴多光子イオン化スペクトルでは、十分にジェット冷却された分子であることを示すシャープなピーク形状を示している。【００６２】
また、特許文献１のジェットと本発明の超臨界流体ジェットとの相違点は、次の通りである。  
すなわち、特許文献１の方法では不揮発性試料の気化とジェット冷却を別々に行っている（前者：第１送出手段５４、後者：第２送出手段５５）のに対して、本発明の超臨界流体ジェット法では不揮発性試料の超臨界流体抽出液の一度のジェット噴射により上記の二過程を同時に行うことができる、ということが大きく異なる点である。【００６３】
特許文献１の方法のように不揮発性試料の気化とジェット冷却を二段階で行うと、ジェット冷却の前に冷えて固体となってしまう可能性がある。またそれを防ぐために、第２送出手段５５の流速を高めて（冷えて析出する前に真空装置５６に導入する）連続導入方式（パルスバルブではなくピンホールにより連続的に真空中に導入する方法）を採用すると、よほど大排気速度のポンプを用いない限り高真空度を保つことができず、その結果として十分なジェット冷却効果が得られない。このような問題を解決するには、気化とジェット冷却を同時に行う超臨界流体ジェット法が有効である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明により、これまで不可能であった生体分子などの熱分解性試料や高分子量の機能性分子の超音速分子線レーザー分光研究を可能にし、生体における分子認識メカニズムなどの基礎科学研究への貢献のみならず、近年のナノテクノロジー研究で創製された様々な機能性分子の評価・測定技術に適用できるだけでなく、不揮発性・熱分解性試料を非破壊的に気化する方法として、該不揮発性・熱分解性分子の分子線エピタキシャル法による構造多層膜の製作、固体表面のスパッタリングによる平坦化などの技術開発に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例の質量分析のための実験装置の全体図である。
【図２】図１のイオンレンズ系の構成図である。
【図３】図１のイオン検出器の構成図である。
【図４】本発明の実施例で得られた１−ナフトールの質量スペクトルである。
【図５】本発明の実施例で得られた１−ナフトールのＲＥＭＰＩスペクトルである。
【図６】従来技術の熱分解性または不揮発性の分子ビーム発生装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  真空装置（超臨界流体ジェット発生装置）
２  サンプルホルダー          ３  ヒーター
５  パルスバルブ
６，９，１４，１７  ターボ分子ポンプ
８，１２  スキマー
１０  差動排気室              １３  レーザー照射室
１６  Ｄａｌｙ型イオン検出器  １８  フライト・チューブ
２１  前置増幅器              ２２  デジタルオシロスコープ
２３  パーソナルコンピューター
３１  リペラー電極            ３２  エクストラクター電極
３３  アインツェルレンズ      ３４  偏向電極
３５  アルミニウム製標的      ３６  シンチレーター
３７  光電子増倍管            ４０  ボンベ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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