(57)【要約】【課題】  試料の微細領域に対してソフトなイオン化を行うことができるイオン化装置およびこれを用いた質量分析装置を提供する。【解決手段】  イオン化部１１と質量分析部１２とを備えた質量分析装置であって、イオン化部１１は、導電性材料の探針２０と、レーザ光源４０とを有し、探針先端２１が試料の測定部位に向けられるとともに、レーザ光源４０は探針先端２１にレーザ光を照射して測定部位に近接場光を発生するように取り付けられ、測定部位の試料３１を近接場光で励起することでイオン化し、質量分析部１２に導く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料で形成され又は導電性材料でコーティングされた探針とレーザ光源とを有し、
探針先端が試料の測定部位に近傍に設置されるとともに、レーザ光源は探針先端にレーザ光を照射して測定部位に近接場光を発生するように取り付けられ、
測定部位の試料を近接場光で励起することにより試料をイオン化することを特徴とするイオン化装置。
【請求項２】
前記イオン化装置をイオン化部としたことを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
探針は、探針先端に細孔が形成され、かつ、励起されたイオンもしくは中性分子が細孔から探針内を通過して探針の根元側に出射できるように中空に形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン化装置。
【請求項４】
試料を載置するステージの面方向であるＸＹ方向に沿って探針位置を相対的に変化させるＸＹ方向制御部と、
探針のＸＹ方向の位置を検出するＸＹ方向位置センサと、
表示部とをさらに備え、
探針のステージ面方向の位置と質量分析結果とを関連付けて表示部に表示することを特徴とする請求項２に記載の質量分析装置。
【請求項５】
探針は、探針先端と試料間の距離に依存する情報を出力するとともに、探針先端と試料間の距離に依存する情報に基づいて走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としての画像データを出力する画像処理部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の質量分析装置。
【請求項６】
ＸＹ方向と直交するＺ方向に沿って探針位置を相対的に変化させるＺ方向制御部と、
Ｚ方向の制御により探針先端を試料内に挿入したときの試料内での探針の深さ方向の位置を検出するＺ方向位置センサと、
表示部とをさらに備え、
探針の深さ方向位置と質量分析結果とを関連付けて表示部に表示することを特徴とする請求項２に記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料をイオン化するイオン化装置に関し、さらに詳細には光の波長以下の微細領域に範囲を絞って試料をイオン化するイオン化装置に関する。
本発明は、イオンを取り出して計測する分析装置、例えば質量分析装置のイオン源として用いることができる。
本発明は、また、微細領域ごとの分析結果をマッピング表示する分析装置、主に質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料面に沿って測定位置を走査しながら試料の質量分析を行い、質量分析結果の二次元的な分布データを画像表示するイメージングマススペクトロメトリーは、低分子、高分子、金属元素分布に関する情報を与え、バイオテクノロジーやマイクロエレクトロニクス、材料科学、地質学、表面科学など多くの分野において利用されている。
【０００３】
従来からなされているイメージングマススペクトロメトリーの代表的なものとしては、材料の表面を数十ＫｅＶの高エネルギーイオンを使ってスパッタリングし、試料からはじき出された二次イオンを検出するＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）がある。
ＳＩＭＳ分析においては、一次イオンビームにＧａイオンを使用して２０ｎｍ程度の非常に細いビーム径にすることにより、空間分解能の高い画像が得られるようになった。
そしてＳＩＭＳとＴＯＦ（飛行時間型質量分析装置）とを組み合わせたＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定により、有機物のような比較的大きな分子量の試料についても測定することが可能となっている。
【０００４】
近年、さらに分子量の大きい高分子試料やバイオ分野における試料について、同様のイメージングを行うことが求められているが、このような試料ではイオン化過程で試料がこわれないようにソフトなイオン化を行う必要がある。しかしながら上述したようなイオンビームを用いた場合、高分子試料やバイオ分野における試料にダメージが加わり、必要な情報を得ることができない。
【０００５】
そのため、高分子試料やバイオ分野の試料を扱う場合には、試料に追加の試薬を添加した後、レーザパルス光を試料表面に集光し、試料を飛散・イオン化する方法が用いられている。
この追加試薬は、試料を消化したり分断したりするために用いられ、また、逆にイオン化の際のダメージを防止したりするために用いられる。このように追加試薬による前処理を行ったうえで、レーザ光源または試料が載置されるステージを走査しつつ多数の測定点で質量分析することにより質量分布のイメージングデータが得られる。
【０００６】
レーザイオン化を用いる場合、レーザ光がパルス的に照射できること、また、試料の質量が大きいことから一般にＴＯＦ型の質量分析装置と組み合わされることが多い（例えば特許文献１参照）。
ＴＯＦに用いるレーザ光の集光サイズは、分析に必要な飛散させるイオン量の関係もあって数百マイクロメータであり、特に集光した場合であっても光の回折限界のためたかだか１ミクロン程度であり、ミクロンサイズでの試料内のマス分布は得られるが、現在求められているような細胞内での質量分布を直接測定するにはミクロンサイズの分解能では不十分である。
【特許文献１】特開平９−３２０５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来の質量分析装置では、ミクロン以下の微細なサイズでソフトにイオン化することができるイオン化方法がなく、例えば、細胞内の質量分布を直接観測することが困難であった。細胞内の微細領域ごとの質量分布を見ようとすれば、あらかじめ別の方法でサンプリングを行い、これを他の基板上に転写して、見かけ上、試料面積を拡大するようにしてから質量測定を行う必要があるため、測定に多大な時間と手間とが必要となっていた。また、試料の転写工程などでコンタミ物質による汚染やダメージによる損傷を引き起こし、正確かつ位置分解能が高い質量分布のイメージングを行うことが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、ミクロン以下の微細なサイズごとにソフトにイオン化することができ、特に細胞のようなダメージを受けやすい試料、高分子試料であってもミクロン以下の微細なサイズでイオン化を行うことができる質量分析装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、ミクロン以下の微細なサイズでソフトにイオン化した試料からの質量分布を得ることができる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】
【００１０】
上記課題を解決するためになされた本発明のイオン化装置は、導電性材料で形成され又は導電性材料でコーティングされた探針とレーザ光源とを有し、探針先端が試料の測定部位に近傍に設置されるとともに、レーザ光源は探針先端にレーザ光を照射して測定部位に近接場光を発生するように取り付けられ、測定部位の試料を近接場光で励起することにより試料をイオン化するようにしている。
また、このイオン化装置をイオン化部として質量分析を行う質量分析装置としている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のイオン化装置によれば、導電性の探針先端にレーザ光を照射することにより、探針先端近傍に近接場光が発生する。近接場光は、プラズモン励起による表面増強効果により、照射レーザによる励起より大幅にエネルギー強度を増加することができる。また、この効果は距離の増加に伴い電界が急激に減少し、光の波長サイズより小さい局所的な領域に高電界を発生する。
近接場光により発生した局所的な高電界は、高電界中の試料を励起しイオン化することができるので、近接場光により生じた高電界を用いて試料をイオン化することにより、レーザ波長よりはるかに微細な寸法の領域内の分子のみをソフトに励起しイオン化することができる。
そしてこのイオン化装置をイオン化部とした質量分析装置によれば、発生したイオンを質量分析部に導くことにより、これまでにない微細領域の質量分析データを得ることができる。
これにより、高分子試料やバイオ分野の試料であってもナノオーダの分解能で質量分析を行うことができる。
【００１２】
また、探針先端に細孔が形成され、かつ、励起されたイオンもしくは中性分子が細孔から探針内を通過して探針の根元側に出射できるように探針内が中空に形成されるようにしてもよい。
この発明によれば、近接場光により励起され、試料から飛び出したイオンあるいは中性分子が探針先端の細孔から探針内の中空空間を通過し探針の根元側から出射する。これにより、探針先端に形成された近接場光により発生したイオン等が最も多く飛び出す方向である試料の真上方向からイオン等を直接、質量分析部に送ることができるので、効率よくイオン測定を行うことができる。
通常このような探針は試料表面に沿って使用し、表面の試料情報を得るが、このような中空探針では、試料内部に挿入し、試料内部の特定領域の試料情報を得ることができる。探針先端に発生させる近接場光は、波長、探針形状の工夫により試料内部においても局所的な近接場の発生が可能である。
【００１３】
また、ＸＹ方向に沿って探針位置を相対的に変化させるＸＹ方向制御部と、探針のＸＹ方向の位置を検出するＸＹ方向位置センサと、表示部とをさらに備え、探針のステージ面方向の位置と質量分析結果とを関連付けて表示部に表示するようにしてもよい。
この発明によれば、ＸＹ方向制御部により探針位置が試料に対してＸＹ方向に相対的に走査されるとともに、その探針位置が位置センサによりモニタされるので、試料面に沿っての質量の分布を位置情報とともに正確に得ることができ、質量分析データを位置情報とともに表示させることができる。
【００１４】
また、探針が探針先端と試料間の距離に依存する情報を出力するとともに、探針先端と試料間の距離に依存する情報に基づいて走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としての画像データを出力する画像処理部を備えるようにしてもよい。
この発明によれば、探針がＳＰＭの探針としても機能するので、ＳＰＭ画像と質量分布とを関連付けて得ることができる。
【００１５】
また、Ｚ方向に沿って探針位置を相対的に変化させるＺ方向制御部と、探針先端を試料内に挿入したときの試料内での探針の深さ方向の位置を検出するＺ方向位置センサと、表示部とをさらに備え、探針の深さ方向位置と質量分析結果とを関連付けて表示部に表示するようにしてもよい。
この発明によれば、探針先端の試料に対する深さ位置を相対的に変えることにより、試料表面のみならず、探針を試料内部に挿入して近接場光を発生することができるので試料内部の微細領域の質量分布のデータを測定することができ、質量分布データを深さ方向の位置情報とともに表示させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の一実施例であるイオン化装置とこれを接続した質量分析計の全体構成を示す図、図２はそのイオン化部の探針部分の拡大図である。
この質量分析装置１０は、主にイオン化部１１と、ＴＯＦ型の質量分析部１２と、装置全体を制御したりデータ処理したりするためのコンピュータ１３とからなる。コンピュータ１３には図示しない表示部（例えばＣＲＴや液晶パネル）が接続されており、この表示部の画面を見ながら各種の入出力を行ったり、後述するように試料の表面観察像を表示部画面に表示したりすることができる。
【００１８】
まず、イオン化部１１の構成について説明する。イオン化部１１は、探針２０、試料３１を載置するステージ３０、レーザ光源４０を有する。
探針２０は、金属等の導電性材料が用いられ、先端２１が尖り、根元側２２が広がる中空円錐形状部分を有している。また、先端２１には開口２６が形成され、微小金属球からなる光散乱体２４がこの開口２６を囲むように取り付けられる。この光散乱体２４は、この部分にレーザ光が照射されたときに散乱光を生じさせて先端２１近傍に近接場光が発生するのを促進している。
根元側２２は腕部２３となり、腕部２３は支持部材２７に固定される。この支持部材２７には探針２０をＺ軸方向（上下方向）に駆動するためのＺ方向駆動部２８が設けられ、Ｚ方向駆動部２８はコンピュータ１３のＺ方向制御部２９により制御される。
【００１９】
ステージ３０は、ステージ３０の下方からのレーザ光（レーザ光の光源やレーザ光学系については後述する）を試料３１に照射できるようにするため、ガラス等の透光性部材（あるいはステージに透光用の孔を設けてもよい）により形成されている。ステージ３０には試料をＸＹ方向（ステージ面方向）に移動するためのＸＹ方向駆動部３２が設けられ、このＸＹ方向駆動部３２はコンピュータ１３のＸＹ方向制御部３３により制御される。
【００２０】
また、腕部２３には、探針２０のＺ方向、ＸＹ方向の位置を検出するために用いる光てこ方式の位置センサ４５が取り付けてあり、探針２０の位置を検出してＺ方向制御部２９、ＸＹ方向制御部３３に位置情報を送るようにしてある。
【００２１】
また、探針２０は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のような走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の探針としても機能するようにしてあり、例えば走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）として機能させるときには、トンネル電流増幅部４６により探針２０の先端と試料２１との間に流れるトンネル電流を検出し、検出データを画像処理部４７に送ることにより表面観察像が得られるようにしてある。
【００２２】
ステージ３０の下方には対物レンズ３４が取り付けられる。対物レンズ３４にはこれをＺ方向（上下方向）に駆動する対物レンズ駆動部３５が設けられ、この対物レンズ駆動部３５は対物レンズ制御部３６により制御される。
この対物レンズ３４は、以下の２つの目的で用いられる。第一に、レーザ光源４０からハーフミラー４１を介して対物レンズ３４に送られてくるレーザ光を、探針先端２１近傍に焦点を結ばせるために用いられる。レーザ光が探針先端２１近傍に焦点を結ぶようにすると、レーザ光と探針先端２１との相互作用により探針先端近傍には近接場光が発生する。
第二に、対物レンズ３４は、探針先端２１近傍の測定部位の像を、ハーフミラー４１、４２を介して光学検出器４３に導き、測定部位の光学像を観察するために用いられる。あるいは対物レンズ３４の共焦点位置に検出器を設けて共焦点観察像を観察するために用いられる。
【００２３】
したがって、上記構成を有するイオン化部１１は、近接場光を用いて試料をイオン化するイオン源としての本来の機能とともに、近接場光を用いて試料の表面観察像を表示する走査型プローブ顕微鏡としての機能を兼ね備えた構成をしている。
【００２４】
次に、質量分析部１２の構成について説明する。質量分析部１２は、探針２０の中空構造部分を通過してきたイオンを引き出すイオンレンズ５１と、イオンレンズ５１により引き出されたイオンの進行方向を曲げるイオンレンズ５２と、ＴＯＦ法により質量分析を行うためのミラーなどのイオン光学系部品を備えた飛行空間５３と、飛行空間５３を飛行したイオンを検出するイオン検出器５４とからなる。
なお、質量分析部としては測定が可能であればＴＯＦに限られず、以外の方式の質量分析部（例えばイオントラップ型質量分析器、四重極型質量分析器など）を用いてもよい。
この質量分析部１２の動作は、コンピュータ１３の質量分析制御部５５により制御される。
【００２５】
上述した質量分析装置の構成において、少なくとも質量分析部１２は真空容器内で高真空状態に維持される。イオン化部１１全体についても真空雰囲気内で用いる方がノイズを抑える点では好ましいが、真空雰囲気内で使用するとなると操作機構が複雑になる。イオン化のためには必ず真空状態にしなければならないわけではないことから、イオン化部１１と質量分析部１２との間を、細孔を有する隔壁で仕切ることにより、試料３１を大気圧中でイオン化したり、所望のガス雰囲気中でイオン化したりして、発生したイオンのみを細孔から質量分析部１２に導くようにすることも可能である。
【００２６】
次に、上記装置による質量分析を行う際の動作について説明する。
試料３１をステージ３０上に載せ、通常のＳＰＭ測定の手順により試料の表面観察像を取得する。このとき、位置センサ４５からの位置情報を同時に取得し、表面観察像と探針２０との位置関係を求めておき、後で探針２０を走査したときに表面観察像との位置関係が把握できるようにしておく。
【００２７】
光学検出器４３の光学像により、あるいはさらにＳＰＭ測定による観察像を確認しながらＸＹ方向駆動部３２および対物レンズ駆動部３５を制御して対物レンズ３４の焦点を試料の測定位置に合わせる。そしてＺ方向駆動部２８を制御して探針２０の先端２１を測定位置近傍に近づけるようにして、近接場光が測定位置に発生するようにしておく。
【００２８】
質量分析部１２を、スタンバイ状態にしてイオンがくるのを待つようにする。この状態でレーザ光源４０から探針２０の先端２１領域にパルスレーザを照射し測定を開始する。これにより、探針先端２１領域に近接場光が発生し、試料が励起されてイオンが飛び出す。飛び出したイオンはイオンレンズ５１、５２によって飛行空間５３に導かれ、やがて検出器５４に到達する。このときのイオンの飛行時間データを測定しイオンの質量を求める。
【００２９】
最初の測定点における測定が終了したら、ステージ３０を駆動して次の測定点に対物レンズ３４の焦点や探針先端２１を合わせる。そして質量分析部１２がスタンバイ状態になったら同様の手順で第二回目の測定を行う。以下、同様にステージ３０の駆動と測定とを繰り返し、試料の二次元的な質量分布データを取得する。
【００３０】
続いて、得られた質量分布データと先に求めた表面観察像との位置関係の対応付けを行うデータ処理がなされる。この結果、ＳＰＭによる表面観察像と質量分布データとの相関データを得ることができる。
【００３１】
以上の動作は、ステージ３０を走査してＸＹ方向の質量分布データを取得するものであるが、探針２０および対物レンズ３４をＺ方向に走査して上記と同様の測定を行うことによって深さ方向（Ｚ方向）の質量分布データを取得することもできる。
すなわち、Ｚ方向駆動部２８による探針２０のＺ方向への走査と、対物レンズ駆動部３５による対物レンズ３４のＺ方向への走査とを連動して行うことにより、近接場光の発生位置をＺ方向に変化させてイオンの発生位置を深さ方向に移動させることにより、Ｚ方向の質量分布データを取得するようにする。
【００３２】
また、ＸＹ方向の質量分布データとＺ方向の質力分布データとを順次測定することにより、試料の3次元的な質量分布データを取得することも可能である。
【実施例２】
【００３３】
図３は、本発明の他の一実施例である質量分析装置のイオン化部の構成を示す図である。図３において図１と同じものについては同符号を付すことにより説明を省略する。本実施例ではレーザ光源４０は試料を載置するステージ３０の上方側に設けてある。
【００３４】
本実施例では、ステージ３０上に載置される試料３１の真上に探針２０が存在するので、探針２０と対物レンズ３４とが干渉しないように対物レンズ３４が斜め上方に設置される。レーザ光源４０からのレーザ光はハーフミラー４１を介して対物レンズ３４に送られ、また、試料の光学像が対物レンズ３４およびハーフミラー４１を介して光学検出器４３に送られる。この対物レンズ３４は対物レンズ駆動部３５により駆動される。
そして探針２０を測定部位に近づけ、対物レンズ３４により探針先端２１に向けてレーザ光を照射することにより、図１と同様に近接場光によって励起されたイオンを試料３１から飛び出させる。
【００３５】
本実施例でも探針２０として図１と同形状のものを用いれば、探針内の中空部分を通過したイオンを質量分析部に送ることも可能であるが、以下の例ではイオンを試料３１の真上から取り出すのではなく、イオンを引き出すイオンレンズ５１を試料３１の斜め上方に設けるようにして（図３参照）、他の形状の探針でイオンを励起するようにしたものについて説明する。
【００３６】
図４は、図３の質量分析装置に用いる探針２０の先端２１の構成を示す図である。この先端６１は、光ファイバ６２の先端を尖らせて、最先端を除くファイバの周囲部分に金属コーティング面６３を形成し、さらに最先端部分には微小な散乱体６４を設けるようにして、外部からレーザ光６５を散乱体６４に向けて照射することにより、散乱体６４近傍に近接場光をにじませるものである。
【００３７】
図５は、図３の質量分析装置に用いる探針２０の先端２１の他の構成を示す図である。この先端６６は金属線６７を先鋭化し、最先端に微小な散乱体６８を設けるようにして、外部からレーザ光６９を散乱体６８に向けて照射することにより、散乱体６８近傍に近接場光をにじませるものである。
【００３８】
図４のような最先端が開口系の探針では１００ｎｍ程度の局所エリアの近接場光となり、図５のような散乱系では数１０ｎｍ程度の範囲の局所エリアの近接場光となる。
なお、近接場光はＺ軸方向の減衰が大きいので、試料に対する探針先端のＺ方向の位置を替えることで近接場光の影響領域をさらに限定することもできる。
【００３９】
図６は、さらに別の方式の質量分析装置に用いる探針の先端形状を示す図である。この探針の先端７１は図４と同様に光ファイバ７２の先端を尖らせて、最先端を除く先端の周囲部分に金属コーティング面７３を形成し、さらに最先端部分には微小な散乱体７４を設けるようにしている。ただし、レーザ光７５はファイバの他端からファイバ内を進行するようにして散乱体６４近傍に近接場光をにじませるものである。この場合は、レーザ光は対物レンズ３４を介して照射する必要はなくなり、対物レンズによるレーザ照射位置の調整が不要になる。
【００４０】
図７は、図６と同様に光ファイバの他端側からレーザ光を照射する型のものであり、この先端７６は周囲に金属コーティング面７８を形成し、ファイバ７７の先端を平坦に切り出すとともに、平坦面に鋭利な金属探針７９を設けている。この先端７６では、対物レンズによるレーザ照射位置の調整が不要であるとともに近接場光のエリアも限定することができる。
【００４１】
図８の先端８１は、光ファイバに代えてレンズ光学系８２、８３を用いて金属探針８４にレーザ光８５を照射するものである。図７、図８のものは同軸上に光学部品を配置してレーザ光を探針先端に導くものである。
【００４２】
以上、いくつかの探針先端形状について説明したが、探針先端に近接場光をにじませて試料をイオン化することができるものであればこれ以外の探針先端であっても本発明を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、質量分析装置のイオン化過程で、ナノオーダの微小領域からソフトにイオン化されたイオンを取り出すことができるので、高分子やバイオ試料についても高精度のマッピングを得ることができる質量分析装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例である質量分析用装置の構成図。
【図２】本発明の一実施例である質量分析装置の探針部分の拡大図。
【図３】本発明の他の一実施例である質量分析装置のイオン化部の構成図。
【図４】探針先端の形状を示す図。
【図５】探針先端の形状を示す図。
【図６】探針先端の形状を示す図。
【図７】探針先端の形状を示す図。
【図８】探針先端の形状を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１０：質量分析装置
１１：イオン化部
１２：質量分析部
２０：探針
２１：先端
２４：散乱体
２６：開口
２８：Ｚ方向駆動部
２９：Ｚ方向制御部
３０：ステージ
３１：試料
３２：ＸＹ方向駆動部
３３：ＸＹ方向制御部
３４：対物レンズ
３５：対物レンズ駆動部
３６：対物レンズ制御部
４０：レーザ光源
４３：光学検出器
４５：位置センサ
４６：トンネル電流増幅部
４７：画像処理部
５１：イオンレンズ
【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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【図７】
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【図８】
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