(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り外し可能なキャピラリナノスプレー源入力部と、分離質量分析器（１０６）と、を結合するための単一チップ（１０８）上に設けられる微細加工したナノスプレーイオン化装置であって、
前記取り外し可能なキャピラリ入力部と協働する第１位置合わせフィーチャ（１０９）であって、前記取り外し可能なキャピラリ入力部は、前記装置内に受け入れることができてイオン化装置への流体の送りをもたらす、第１位置合わせフィーチャ（１０９）と、
キャピラリ出力部と協働する第２位置合わせフィーチャ（１１０）であって、前記キャピラリ出力部は前記質量分析器にイオンビームを提供する、第２位置合わせフィーチャ（１１０）と、
前記キャピラリ入力部とキャピラリ出力部の間のイオン経路を画定するオリフィスと、
を備え、
前記イオン経路にほぼ直交する向きに設けられた少なくとも１つの導電電極（１１１）をさらに備え、
前記第１位置合わせフィーチャ（１０９）、前記第２位置合わせフィーチャ（１１０）、前記オリフィス、および前記少なくとも１つの電極（１１１）は、それぞれ前記チップ（１０８）内に一体に形成され、
前記装置は、前記取り外し可能なキャピラリ入力部が、前記少なくとも１つの導電電極に関連する前記装置内に使用可能に備わるように構成され、前記キャピラリ入力部と、前記キャピラリ入力部から抜ける流体をイオン化してスプレーの形態で前記装置に入るようにする前記少なくとも１つの導電電極と、の間の電位差が提供される
ことを特徴とする微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２】
前記チップ（１０８）は２枚の基板から構築され、
前記各基板はスタック構成で組み合わされて、前記チップ（１０８）が形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項３】
前記２枚の基板はそれぞれ絶縁基部（２０１）を備え、
前記各基板は、前記得られるチップ（１０８）がその外側の表面に絶縁部分を有するように互いに重ね合わされる
ことを特徴とする請求項２に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項４】
前記２枚の基板はそれぞれ、個々のフィーチャと共に形成され、
前記各フィーチャは、前記２枚の基板が合わせられたときに、得られるフィーチャの組合せにより、前記第１位置合わせフィーチャ（１０９）、前記第２位置合わせフィーチャ（１１０）、前記オリフィス、および前記少なくとも１つの電極（１１１）が画定されるように構成される
ことを特徴とする請求項２または３に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項５】
第１基板は、前記キャピラリ入力部用の第１の溝状の位置合わせフィーチャ（２０４）、および前記キャピラリ出力部用の第２の溝状の位置合わせフィーチャ（２０６）を画定し、
前記第１基板はさらに、その上に、前記第１基板に垂直に配置された溝状の直立縁部を伴う前記少なくとも１つの導電電極を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項６】
第２基板は、その上に、前記第２基板に垂直に配置された溝状の直立縁部を伴う少なくとも１つの導電電極（１１１）を備えることを特徴とする請求項５に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項７】
前記第１基板と第２基板を互いに重ね合わせて、前記第１および第２基板上に設けられた前記少なくとも１つの電極（１１１）が連続電極を形成し、
前記電極の溝は組み合わされてオリフィスを形成する
ことを特徴とする請求項６に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項８】
前記キャピラリ入力部は、ナノスプレーキャピラリ（１０６）であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項９】
前記ナノスプレーキャピラリ入力部は流体を供給し、
前記流体は、液体クロマトグラフィシステムから導入可能である
ことを特徴とする請求項８に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１０】
前記ナノスプレーキャピラリ入力部は流体を供給し、
前記流体は、キャピラリ電気泳動システムから導入可能である
ことを特徴とする請求項８に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１１】
前記入力キャピラリに最も近い電極（１１１）は、最初にテイラーコーンを生成し、次いで、前記入力キャピラリに収容された液体からイオンを引き出すことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１２】
前記キャピラリ出力部は、質量分析器（１０６）への入力部を形成することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１３】
少なくとも２つの電極（１１１）を備え、少なくとも第２電極は前記出力キャピラリにイオンを集束することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの電極は電気的に加熱され、選択的に溶媒を除去することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの電極はセグメント化されて、偏向横方向電界を形成することによって、電気的中性物からのイオンの分離を助けることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１６】
前記偏向横方向電界は経時的に変化して、噴霧化を促進することを特徴とする請求項１５に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１７】
前記チップは、少なくとも１つの流体排出用の穴を含むことを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１８】
少なくとも第１基板基部は、少なくとも１つのガス注入用の穴と、前記キャピラリ入力部を取り囲むプレナムチャンバ（４１０）と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項１９】
前記プレナムチャンバ（４１０）は、前記スプレーに対するシースとして構成された軸方向ガス流を生成するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２０】
前記絶縁基部は、フォトパターニングが可能なポリマーで形成されることを特徴とする請求項３に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２１】
前記基板−基部（２０１）の周囲、排出用の穴、およびガス注入口は、フォトパターニングによって画定されることを特徴とする請求項１８に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２２】
前記位置合わせフィーチャ（１０９，１１０）および電極（１１１）は、半導体で形成されることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２３】
前記半導体は、シリコンであることを特徴とする請求項２２に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２４】
前記半導体は、異方性湿式化学エッチングによって結晶面を貫通して溝状に加工されることを特徴とする請求項２２に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２５】
前記半導体は、深堀反応性イオンエッチングによって溝状に加工されることを特徴とする請求項２２に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２６】
前記位置合わせフィーチャまたは前記電極のいずれかは、深堀反応性イオンエッチングを利用することによって形成されることを特徴とする請求項２２に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２７】
前記電極、溝、または基板−基部は、ソーイングによって形成されることを特徴とする請求項３に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２８】
前記位置合わせフィーチャ（１０９，１１０）および電極（１１１）は、金属で形成されることを特徴とする請求項１から２１および２７のいずれかに記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項２９】
前記金属は、電気メッキによって被着されることを特徴とする請求項２８に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項３０】
前記基板−基部は、ガラスで形成されることを特徴とする請求項３に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項３１】
前記ガラスは、フォトパターニング可能であることを特徴とする請求項３０に記載の微細加工したナノスプレーイオン化装置。
【請求項３２】
出力部にキャピラリニードルを有するナノスプレー供給源と、入力部にキャピラリニードルを有する質量分析器と、前記供給源と前記質量分析器（１０１）の間に設けられた請求項１から３１のいずれかに記載のナノスプレーイオン化装置と、を備え、
前記装置の前記位置合わせフィーチャ（１０９，１１０）は、前記キャピラリニードル用の接続ポートを提供し、それによって、前記供給源から発する流体がイオン化されて、前記質量分析器（１０１）に渡されるようにし得ることを特徴とする一体化パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析法に関し、詳細には、液体クロマトグラフィ法またはキャピラリ電気泳動法と共に質量分析法を用いることに関する。本発明は、特に、微細加工した構成で実施するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロスプレー法は、生化学質量分析法（ＭＳ）におけるソフトイオン化の一般的な方法である。というのは、生化学質量分析法によって、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）によって予め分離された液体試料を分析し、断片化を伴わずに複雑な分子をイオン化し、多重帯電による重分子の質量−電荷比を減少させることができるからである（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。生化学質量分析法は、キャピラリ電気泳動法（ＣＥ）などの他の方法によって予め分離された液体試料でも類似のやり方で用いることができる。
【０００３】
原理は簡単である。典型的にはオリフィスを含むダイアフラムからなる電極と、分析物を含むキャピラリニードルと、の間に電圧を印加する。先端部から液体を引き抜き、テイラーコーン（Taylor cone）内に引き込むと、そこから大型の帯電した液滴が放出される。これらの液滴は音速に加速され、それらが移動するときに蒸発する。収縮する液滴中の電荷のクーロン斥力により、レイリー安定限界（Rayleigh stability limit）に達したときに、断片化されてイオンになる。得られたイオンは、多重に帯電していることがある。
【０００４】
エレクトロスプレー質量分析器システムは、以下のいくつかの主要要素を含む。
・ＬＣシステムまたはＣＥシステムとのインターフェースとなり得るエレクトロスプレーイオン化源
・（好ましくは、分子ではなく）イオンを真空チャンバに結合するインターフェース
・結合を最大にし得る位置合わせおよび／または観察用のシステム
・マスフィルタおよび検出器
従来方式では、スプレーは、大気圧から、中間の圧力で保持されるチャンバを介して注入される。差動排気を用いて流量と実現可能な圧力を合わせるいくつかの真空インターフェースが開発されている（例えば、非特許文献３参照）。イオン光学系は通常、キャピラリ（capillaries）などの入力および出力用のオリフィス、キャピラリアレイ（capillary arrays）、およびスキマー電極を備え、場合によっては、全通過モードでイオン案内部として動作する４重極レンズも含む。これらのコンポーネントを使用して、結合したイオンと電気的中性物（neutrals）との比を最大にする。そうしないとチャンバが一杯になる。
【０００５】
様々な方法を用いて、小型の液滴からなる良好に分散したスプレーが得られるように、そしてそれ故に、分析物イオンの凝縮された流れが得られるようにする。直接加熱によって、溶媒を選択的に除去することができる（例えば、非特許文献４参照）。シースガス流を使用することによって利点が得られることがある（例えば、非特許文献５参照）。超音波によって噴霧が強められることがある（例えば、非特許文献６参照）。
【０００６】
エレクトロスプレー法では位置合わせは重要ではなく、単にＭＳ入力部に向かってスプレーを方向付けてよい。あるいは、スプレーの軸外方向を利用して、電気的中性物の分離を促進する。スプレーを集束させるためにキャピラリに直接装着された同軸レンズが開発されている（例えば、Li G., Yin H. “Mass spectrometer electrospray ionization”特許文献１参照）。しかし、このような簡単な機械システムを使用して実現し得る電極の複雑さには限界がある。
【０００７】
キャピラリの内径が約１００μｍまでの従来型エレクトロスプレーシステムでは、流量は１μｌ／分程度であり、引出し電圧は２．５ｋＶ〜４ｋＶの範囲である。流量および電圧は、内径が約１０μｍまでの範囲のキャピラリに基づくいわゆる「ナノスプレーシステム」ではかなり小さくなる（例えば、非特許文献７参照）。このようなキャピラリは、製作が比較的簡単であり、ある範囲の直径およびフリット材で入手可能である。また、キャピラリ径を小さくし、流量を少なくすると、質量−電荷比が大きいイオンが生成される傾向があり、それによって、生体分子に対する適用可能性がさらに広がる。
【０００８】
スプレーの円錐形のサイズが小さくなるので、ナノスプレー源の位置合わせはより重要になる。典型的には、この供給源を精密位置合わせ装置に取り付け、ビデオカメラを使用して、大気圧イオン化（ＡＰＩ）質量分析器の真空注入口に入るスプレーを観察する操作を必要とする。供給源は、ほとんどの普及ブランドの質量分析器にカスタマイズされて販売されている。しかし、このようなシステムは大型かつ複雑であり、コストがかかる。
【０００９】
コストを削減するために、ナノスプレーイオン化源のコンポーネントの一部を一体化する様々な試みがなされている。エッチングされたキャピラリを含むガラスチップの縁部からスプレーを引き出すことができることが示されている（例えば、非特許文献８参照）。その後、面内流による一体型キャピラリが多くの材料で、特にプラスチックで実証された（例えば、非特許文献９および非特許文献１０参照）。場合によっては、チャネルではなくスロットから（例えば、非特許文献１１参照）、他の場合には、整形された表面から流体が引き出される（例えば、非特許文献１２参照）。１次元アレイで形成される装置もある。チップの表面に直交して流れが通過する幾何形状も、しばしばシリコンを深堀反応性イオンエッチングすることによって実証されている（例えば、非特許文献１３および非特許文献１４参照）。このような装置は、２次元アレイに形成することができる。
【００１０】
上記の進歩はもっぱら、システムのサブコンポーネントを一体化してイオン放出器にする試みからなるものである。これらの試みは、システムの流体部分に注力し、電気的中性物からイオンを分離する問題、ならびにイオンスプレーを真空システムへの注入口に位置合わせする問題を無視している。その結果、これらは、低コストナノスプレーシステムに好適なものではなくなっている。というのは、正確な位置合わせには、依然として高価な位置決め装置が必要とされるからである。
【００１１】
【非特許文献１】Gaskell S.J. "Electrospray: Principles and practice" J. Mass Spect. 32, 677-688 (1997)
【非特許文献２】Abian J. "The coupling of gas and liquid chromatography with mass spectrometry" J. Mass Spectrom. 34, 157-168 (1999)
【非特許文献３】Duffin K.L., Wachs T., Henion J.D. "Atmospheric-pressure ion-sampling system for liquid-chromatography mass-spectrometry analyses on a benchtop mass-spectrometer" Anal. Chem. 64, 61-68 (1992)
【非特許文献４】Lee E.D., Henion J.D. "Thermally-assisted electrospray interface for Iiquidchromatography mass-spectrometry" Rapid Comm. in Mass Spect. 6, 727-733 (1992)
【非特許文献５】Huggins T.G., Henion J.D. "Capillary electrophoresis mass-spectrometry determination of inorganic ions using an ion spray-sheath flow interface electrophoresis"14, 531-539 (1993)
【非特許文献６】Hirabayashi A., de la Mora J.F. "Charged droplet formation in sonic spray" Int. J. Mass Spect. 175, 277-282 (1998)
【特許文献１】Li G., Yin H. "Mass spectrometer electrospray ionization" 米国特許第6462337号明細書
【非特許文献７】Wilm M., Mann M. "Analytical properties of the nanoelectrospray ion source" Anal. Chem. 68, 1-8 (1996)
【非特許文献８】Ramsey R., Ramsey J."Generating electrospray from microchip devices using electroosmotic pumping" Anal. Chem. 69, 1 174-1178 (1997)
【非特許文献９】Licklider L., Wang X.Q., Desai A., Tai Y.C., Lee T.D. "A micromachined chip-based electrospray source for mass spectrometry" Anal Chem. 72, 367-75 (2000)
【非特許文献１０】Svedberg M., Petterson A., Nilsson S., Bergquist J., Nyholm L., Nikolajeff F., Markides K. "Sheathless electrospray from polymer microchips" Anal Chem. 75, 3934-3940 (2003)
【非特許文献１１】Le Gac S., Arscott S., Rolando C. "A planar microfabricated nanoelectrospray emitter tip based on a capillary slot" Electrophoresis 24, 3640-3647 (2003)
【非特許文献１２】Kameoka J., Orth R., Czaplewski D., Wachs T., Craighead H.G. "An electrospray ionization source for integration with microfluidics" Anal. Chem. 74, 5897-5901 (2002)
【非特許文献１３】Schultz G.A., Corso T.N., Prosser S.J., Zhang S. "A fully integrated monolithic microchip electrospray device for mass spectrometry" Anal. Chem. 72, 4058-4063 (2000)
【非特許文献１４】Griss P., Melin J., Sjodahl J., Roeraade J., Stemme G. "Development of micromachined hollow tips for protein analysis based on nanoelectrospray ionization mass spectrometry" J. Micromech. Microeng. 12, 682-687 (2002)
【非特許文献１５】Bean K.E. "Anisotropic etching of silicon" IEEE Trans. Electron Devices ED-25, 1185-1193 (1978)
【非特許文献１６】Hynes A.M., Ashraf H., Bhardwaj J.K., Hopkins J., Johnston I., Shepherd J.N. "Recent advances in silicon etching for MEMS using the ASETM process" Sensors and Actuators 74, 13-17 (1999)
【非特許文献１７】Lorenz H., Despont M., Fahrni N., LaBianca N., Renaud P., Vettinger P. "SU-8: a low-cost negative resist for MEMS" J. Micromech. Microeng. 7 121-124 (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、低コストナノスプレーシステムを提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、低コストナノスプレー源における位置合わせおよび電極装着の問題の解決策を提供することによって、上記その他の問題に対処するものである。これは、微小電子機械システム技術を利用して、絶縁プラスチック基板上に、適切な機械的位置合わせフィーチャおよび導電電極フィーチャを一体に形成することによって行う。この手法により、流体排出、スプレー加熱、およびシースガス流用のフィーチャを一体化することもできる。
【００１４】
本発明は、ナノスプレーキャピラリニードル、１組の電極、およびＡＰＩ質量分析器へのキャピラリ入力部を位置合わせする方法を提供する。この電極システムは、微小電子機械システム技術を利用して、２つの別々のチップからなるアセンブリとして形成される。各チップは、絶縁プラスチック基板上に形成される。第１のチップは、キャピラリエレクトロスプレーニードルおよびＡＰＩ質量分析器入力部用の機械的位置合わせフィーチャを、１組の部分電極と共に担持する。第２のチップは、１組の部分電極を担持する。完全な電極システムは、これらのチップがスタック構成で組み立てられるときに形成され、テイラーコーンのきっかけをつくることができ、かつ集束させることによって電気的中性物からイオンを分離し得るアインツェルレンズを含む。
【００１５】
したがって、本発明により、請求項１に記載のシステムが提供される。請求項１の従属請求項において有利な実施形態も提供される。本発明により、主要な方法独立請求項で詳述されるこのようなシステムを製作する方法も提供される。
【００１６】
上記その他の特徴は、以下の図面を参照してよりよく理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図１から図９に示す実施形態の例を参照して本発明を説明する。
【００１８】
本発明者は、ＭＥＭＳ構造の利益をナノスプレー用途に拡張し得ることに思い当たった。ＭＥＭＳでは、リソグラフィによるパターン化、酸化、およびメタライゼーションという広く用いられている方法を、異方性湿式化学エッチング（例えば、非特許文献１５参照）および深堀反応性イオンエッチング（例えば、非特許文献１６参照）などの特殊な技術と組み合わせて、シリコンなどの結晶質半導体の３次元フィーチャが形成される。ＳＵ−８などの特殊な感光性ポリマーに紫外線を露光して、プラスチックで３次元フィーチャを形成することができる（例えば、非特許文献１７参照）。これらの方法を用いて、絶縁基板、位置合わせフィーチャ、および導電電極を組み合わせることができる。本発明者は、これらにより少なくとも潜在的に、一体化されたナノスプレーイオン化源を低コストで形成し得ることに思い当たった。
【００１９】
しかし、ＭＥＭＳ技術を利用してナノスプレー装置を提供することを実現するには、依然として別の難点がある。この装置は一般に、湿潤環境かつ高電圧で動作させなければならず、そのため、電気的な絶縁および廃水が共に必要とされる。したがって、ＭＥＭＳで最も一般に使用される基板材料であるシリコンは適切ではない。しかし、ガラスなどの他の絶縁材料は、微細加工が難しい。安定なスプレーを得るには、典型的には、軸方向に整列したオリフィスを含む電極が必要とされる。電気的中性物から効率的にイオンを分離するには、静電偏向または集束が必要とされる。集束の場合には、整列したオリフィスを含む別の電極が必要とされる。イオン経路自体が基板の面内にある場合、このようなオリフィスを面内パターン化だけで形成するのは極めて難しい。最後に、スプレーの周りにシースガスを提供するフィーチャ、噴霧化を促進するフィーチャ、ならびに、好ましくは溶媒を蒸発させることができるフィーチャを一体化することが望ましい。上記その他の理由から、これまでは、一体型ＭＥＭＳナノスプレーシステムが可能ではなかった。しかし、図１から図９を検討することにより理解されるように、本発明者は、上記その他の問題に対処した。
【００２０】
図１に、微細加工したナノスプレー電極システムの概念を示す。（例えば）ターボ分子ポンプ１０３によって、ポンプ排気した質量分析器１０１を高真空容器１０２内に設ける。このチャンバに、（この場合も、例として）ロータリポンプ１０５によってポンプ排気され、中間の圧力で保持された別のチャンバ１０４を介してイオンを注入する。この真空システムへの注入口は、キャピラリ１０６であるとする。入力キャピラリは別にして、これらのコンポーネントの厳密な構成は重要ではないことを理解されたい。例えば、質量分析器のフィルタ要素は、イオントラップ、４重極、磁気セクタ（magnetic sector）、交差電磁界、または飛行時間型装置とし得る。同様に、中間真空チャンバは、別のキャピラリおよびスキマー電極を含めて、ある範囲のコンポーネントを含むことができるはずである。
【００２１】
このシステムへの全体的な入力は、ナノスプレーキャピラリ１０７によって提供される。ナノスプレーキャピラリ１０７と、質量分析計へのキャピラリ入力部１０６との位置合わせは、微細加工チップ１０８によって行われる。このチップは、ナノスプレーキャピラリ用の第１の組の機械的位置合わせフィーチャ１０９と、質量分析計へのキャピラリ入力部用の第２の組の位置合わせフィーチャ１１０と、を含む。このチップは、イオン経路に直交して設置された１組の電極１１１も含む。この１組の電極１１１は、（例えば）ダイアフラム電極とし得る（ただし、これに限定されるものではない）。排出およびガス注入用の穴を含めて、他のフィーチャをチップに一体化することもできる。
【００２２】
図２に、チップ１０８の主要フィーチャを示す。このチップは、２つの別々の基板から構築され、各基板は、スタックアセンブリの形で配置された微細加工フィーチャを担持する。第１の基板は、絶縁材料で形成された基部２０１からなり、基部２０１は、図１のフィーチャ１０９に対応するナノスプレーキャピラリ用の機械的位置合わせフィーチャを担持する。この位置合わせフィーチャは、導電性または半導体のブロック２０３にエッチングされた（例えば）溝２０２とし得る（ただし、これに限定されるものではない）。この基板は、図１のフィーチャ１１０に対応する、質量分析計へのキャピラリ入力部用の位置合わせフィーチャも担持する。この場合も、この位置合わせフィーチャは、例えば、類似の材料２０５のブロックにエッチングされた別の溝２０４とし得る。この基板は、図１のフィーチャ１１１の一部に対応する、類似の材料２０７の直立プレートにエッチングされた溝２０６からなる１組の電極も担持する。
【００２３】
第２の基板は、やはり絶縁材料で形成された基部２０８からなり、基部２０８は、図１のフィーチャ１１１の別の部分に対応する別の１組の電極を担持する。この別の１組の電極は、導電性または半導体の材料２１０の直立プレートにエッチングされた溝２０９からなる。これら２つの基板を重ね合わせると、これら部分電極の組が組み合わされて、閉じた瞳(pupils)２１１を備えた完全なダイアフラム電極が形成される。
【００２４】
３つのこのような電極を使用して、いわゆる「アインツェル(einzel)」または均一電位静電レンズが形成される。このタイプのレンズにより、電極スタックを貫通して軸方向に通過するイオンを、簡単に、かつ制御された状態で集束することができ、したがって、質量分析計へのキャピラリ入力部にイオンスプレーを集束して、凝縮された分析物イオンの流れを提供することができる。
【００２５】
位置合わせ用の溝２０２および２０４、ならびに電極の溝２０６および２０９は全て、類似のフォトリソグラフィプロセスによって画定することができ、したがって、互いに位置合わせし得ることを理解されたい。この態様により、上記の本発明の背景技術の項目で特定した、正確に位置合わせされた１組の機械的なフィーチャおよび電極を構築するという第１の問題の解決策が得られる。排出用の穴と共にパターン化し得る絶縁基板を使用すると、湿潤環境で高電圧を維持するという問題の解決策が得られることも理解されよう。最後に、部分電極を重ね合わせることにより、基板に直交して配置されたダイアフラム電極を形成するという問題の解決策が得られることを理解されたい。
【００２６】
様々な材料およびプロセスを用いて、図２に類似の構造を実現し得ることが当業者には理解されよう。図３に、あるプロセスを示すが、これは限定的なものではなく例示するためのものである。用いる材料は低コストであり、３つのリソグラフィステップしか必要とされない。このプロセスは、結晶質シリコン基板に基づくものであり、その上に、後でプラスチックの仮想基板を形成する。個々のプロセスのステップを、典型的なフィーチャを含む１組のウエハ断面によって、次々に展開されてゆくように示す。
【００２７】
ステップ１では、まず、（１００）配向シリコン基板((100)-oriented silicon substrate)３０１を酸化して、両面にＳｉＯ２層３０２を形成する。（例えば）フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングによって、このＳｉＯ２をパターン化しエッチングして、チャネル形状の開口３０３を形成する。ステップ２では、下にあるシリコン基板を、（１１１）結晶面を貫通して異方性エッチングして、Ｖ形溝３０４を形成する。この目的には一般に、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水、およびイソプロパノール（ＩＰＡ）からなるエッチング液を使用し得る。このステップにより、すべてのキャピラリ装着用の溝および電極の瞳が画定される。正面の酸化物を除去し、ウエハをひっくり返す。
【００２８】
ステップ３では、ウエハに、エポキシベースのフォトレジストＳＵ−８  ３０５の厚い層をスピンコーティングする。このレジストは、少なくとも厚さ０．５ｍｍで、層状にコーティングし露光することができる。このレジストは、粘着性に優れ、硬化後は極めて堅固になり、そのため、処理後の仮想基板材料として使用し得る。このレジストをフォトリソグラフィによりパターン化して、各ダイの周りにさいころ状の溝３０６を、任意の排出用の穴３０７およびガス注入口と共に形成する。
【００２９】
ステップ４では、典型的には金属クロムの接着層およびより厚い金の別の層３０８によって、ウエハの正面を金属化して導電率を増加させる。ステップ５では、フォトレジスト３０９でウエハの正面をコーティングする。このウエハは平坦でないので、このステップでは、好ましくはスピンコーティングレジストではなく電着レジストを使用する。このレジストをパターン化して、全ての電極および位置合わせ用のブロック３１０の輪郭を画定し、このパターンを、金属を貫通して転写する。ステップ６では、このパターンを、深堀反応性イオンエッチングによってシリコンウエハを貫通して転写して、要素間に深い分離フィーチャ３１１を形成する。次いで、ステップ７で、フォトレジストを除去し、個々のダイを分離する。
【００３０】
ステップ８では、金属層３１２を合わせてはんだ付けするか、あるいは接合することによって２つのダイを合わせて重ね合わせて、完全なナノスプレーチップが形成される。あるいは、このステップでは導電性エポキシを使用し得る。このチップをキャリア回路ボードに装着し、下側の基板上の適切なフィーチャにワイヤボンド接続部３１３を作製する。
【００３１】
型の内部に金属を電気メッキすることにより導電性位置合わせ要素および電極要素を形成することによって、第１の代替プロセスが提供されることが当業者には理解されよう。この型自体は、一連のパターン化およびエッチングのステップによって形成し得る。ただし、この代替方法は、型を別に形成することを必要とし、これは手間のかかるプロセスである。
【００３２】
絶縁基板に付着した導電層をソーイング(sawing)または他の方法で侵食することにより導電性位置合わせ要素および電極要素を形成することによって、第２の代替プロセスが提供されることも当業者には理解されよう。基板の基部は、ソーイングによって、または侵食によって画定することもでき、溝は部分ソーイングによって形成し得る。ただし、この代替方法では、生成し得る構造の範囲の柔軟性がそれほど得られない。
【００３３】
ガラスから基板の基部を形成することによって、第３代替プロセスが提供されることも当業者には理解されよう。この基板の基部は、ソーイングによって、あるいは（感光性ガラスの場合には）フォトパターニングによってパターン化し得る。しかし、これらの代替方法では、やはり、生成し得る構造の範囲の柔軟性がそれほど得られない。これらの欠点にもかかわらず、ここで述べた各代替方法は、特定の応用例についての本発明の状況では、有用であると考えられることがあることを理解されたい。
【００３４】
図４に、図３のプロセスを用いて実現し得る個々の基板の配置を示す。比較的大型のプラスチック基板−基部４０１は、エッチングされ金属化されたシリコン中に形成され、かつエッチングされた位置合わせ溝４０３を有するナノスプレーキャピラリ用の装着ブロック４０２を担持する。この基板は、類似のエッチングされた位置合わせ溝４０５を備えた質量分析器入力キャピラリ用の類似の装着ブロック４０４と、エッチングされた溝４０７を備えた１組の部分電極４０６と、を担持する。これらの電極は、それらの端部で広がっており、それによってスタックされたアセンブリの助けとなり、接合が可能になる。プラスチック製基板−基部を貫通する大型の穴４０８により、排出路が提供され、より小型の穴４０９により、シースガスがエッチングされたプレナムチャンバ(plenum chamber)４１０に流入するチャネルが提供される。より小型のプラスチック製基板基部４１１は、別の１組の部分電極４１２と、シースガスプレナム(sheath gas plenum)を画定する別のフィーチャ４１３と、を担持する。
【００３５】
図５に組立てを示す。より小型の基板５０１を、より大型の基板５０２の上部に位置合わせして反転させ、電極を合わせて接合する。この装置を外部印刷回路ボードに装着し、ワイヤボンド接続部５０３を位置合わせフィーチャおよび電極に取り付ける。このチップを位置合わせし、質量分析器の入力キャピラリ５０４に電気的に接続し、ナノスプレーキャピラリ５０５をチップの入力位置合わせフィーチャに挿入し、電気的に接続する。各キャピラリにはストッパを設けて、キャピラリが一定の距離しか位置合わせ溝に挿入されないようにする。
【００３６】
図６に、この装置の静電的な動作を示す。質量分析器へのキャピラリ入力部およびその位置合わせフィーチャ６０１は、共に接地電位にあると仮定する。ナノスプレーキャピラリが導電接点を含むと仮定し、ナノスプレーキャピラリに、その関連するマウント６０２を介して大きな直流電圧Ｖ１を印加する。あるいは、この電圧は、キャピラリに入る導線を介して印加することもできる。レンズ要素の外側電極６０３、６０４に中間電圧Ｖ２を印加し、中央要素６０５に別の電圧Ｖ３を印加する。スプレー６０６は、電位差Ｖ１−Ｖ２のために、ナノスプレーキャピラリの出口に生成されたテイラーコーンから放出される。イオンの流れは、集束電圧Ｖ３の作用により、質量分析器へのキャピラリ入力部６０７に集束される。
【００３７】
図７に、シースガス注入口の動作を示す。シースガスは、注入穴７０２を介して、このアセンブリの下側の基板−基部７０１を通過する。このガスは、ナノスプレーキャピラリマウント７０４に形成されたプレナム７０３に流入する。キャピラリは、上側および下側のナノスプレーキャピラリマウントの溝によって形成されたオリフィスを完全に密封していないので、キャピラリの周りのプレナムからガスが漏れる。しかし、キャピラリ７０５には自然なテーパが付けられているので、漏れの大部分は前方軸方向７０６で生じるようにされ、それによってスプレーの周りにシースが形成される。
【００３８】
図８に、熱的な動作モードを示す。電流Ｉは、電極８０１の１つまたは複数を流れ、それによって局所的に加熱され、そのため、キャリア溶媒など、スプレー中のより多くの揮発性成分が選択的に蒸発することがあり、その結果、分析物イオン流が濃縮される。
【００３９】
図９（ａ）〜図９（ｄ）に、異なる可能な電極断面を示す。最も簡単な実施形態（図９（ａ））では、異方性湿式化学エッチングによって形成された溝を備えた２枚のプレート９０１と９０２のアセンブリにより、菱形瞳(diamond-shaped pupil)９０３を備えた電極が生成される。この瞳の縁部は、シリコンの（１１１）結晶面角度θ＝ｃｏｓ−１（１／√３）＝５４．７３°によって画定される。瞳のサイズは、最初にエッチングする溝の幅を、軸に沿って連続的または段階的に変化させることによって制御し得る。深堀反応性イオンエッチングなどの他の製作方法を用いて、対称性が本質的により大きいＵ形の位置合わせ溝および電極溝を形成し得ることが当業者には理解されよう。
【００４０】
これらの電極は、図９（ｂ）に示すように、追加の隙間９０４を利用して水平にセグメント化することもできるし、図９（ｃ）に示すように、追加のエッチング９０５を利用して垂直にセグメント化することもできることも当業者には理解されよう。図９（ｄ）に示すように、両方のセグメント化方法を組み合わせることができる。このタイプのセグメント化された電極を使用して、集束に加えて１軸または２軸の静電偏向を実現することができる。このように自由度を追加すると、例えば、電気的中性物がたどれない湾曲部または急折部をイオン経路に挿入することによって、電気的中性物からのイオンの分離を改善する潜在的な可能性が得られる。
【００４１】
セグメント化された電極を使用して横方向静電力を提供することができると、経時的にスプレーを偏向し得ることも理解されたい。正弦波状に変化する横方向の力を利用してスプレーを振動させると、スプレー流に周期的な摂動を誘起することができる。この摂動の空間周波数が、流れのパターンにおけるレイリー分裂(Rayleigh instability)の空間周波数に一致するように選択される場合、この流れは、断片化されて液滴になるように仕向けられ、そのため、噴霧化が促進される。
【００４２】
本明細書で説明してきたものは、微細加工したナノスプレー装置である。有利な実施形態を説明してきたが、ある種の完全体およびコンポーネントを用いて実施形態の例が示されており、添付の特許請求の範囲に照らして必要とみなされることがある場合を除き、本発明はいかなる形でも限定されるものではないことを理解されたい。さらに、特定の図を参照して本発明が説明される場合、１つの図のコンポーネントおよび特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の図のものと自由に交換可能であることを理解されたい。
【００４３】
ＭＥＭＳ技術を参照して本発明の装置の性質を縮小して言及したが、本発明の状況では、ＭＥＭＳという用語は、微細加工した、または微細加工するという用語を包含することを意図し、ミクロン程度の寸法の３次元の構造および装置の製作を定義することを意図することを理解されたい。これは、マイクロエレクトロニクスおよびマイクロマシニングの技術を組み合わせることである。マイクロエレクトロニクスでは、シリコンウエハから集積回路を製作することができ、マイクロマシニングでは、主にシリコンウエハから３次元構造が製作される。これは、ウエハから材料を取り除くか、あるいは、ウエハ上に、またはウエハ内に材料を追加することによって実現し得る。微細加工の魅力を要約すると、装置がバッチ製作され、それによって生産コストが低減され、小型化により材料が節約され、小型化により応答時間が速くなり、かつ装置による占有率(invasiveness)が低くなることである。ウエハを微細加工する技術には様々なものがあり、これらは当業者には周知のものである。これらの技術は、材料の除去に関係するもの、ならびに、ウエハへの材料の被着または追加に関するものに分けることができる。前者の例には、以下のものが含まれる。
【００４４】
・湿式化学エッチング（異方性および等方性）
・電気化学エッチングまたは光支援電気化学エッチング
・ドライプラズマエッチングまたは反応性イオンエッチング
・イオンビームによる除去
・レーザ
【００４５】
後者の例には、以下のものが含まれる。
・蒸着
・厚膜被着
・スパッタリング
・電気メッキ
・化学気相成長（ＣＶＤ）
・エピタキシ
これらの技術をウエハの接合と組み合わせて、複雑な３次元を生成することができる。本発明によって提供されるインターフェース装置はこれらの例である。
【００４６】
本明細書で用いる「備える」という言葉は、ここで言及したフィーチャ、完全体、ステップ、またはコンポーネントの存在を明示するものであり、１つまたは複数の他のフィーチャ、完全体、ステップ、コンポーネント、またはこれらの集合の存在または追加を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態による、大気圧イオン化質量分析器へのキャピラリ入力部にナノスプレーニードルを位置合わせする微細加工したナノスプレーシステムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による微細加工したナノスプレーシステムを２つのチップのスタックアセンブリとして構築するところを示す図である。
【図３】本発明の実施形態による微細加工したナノスプレーチップを構築するプロセスの流れである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態による微細加工したナノスプレーチップの下部基板および上部基板の配置を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による微細加工したナノスプレーチップのアセンブリを示す図である。
【図６】本発明の実施形態による微細加工したナノスプレーチップの静電的な動作を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による微細加工したエレクトロスプレーチップのシースガス注入口の動作を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による微細加工したエレクトロスプレーチップの熱的な動作を示す図である。
【図９】スタック電極アセンブリを使用して実現可能な電極構成を示す図であり、（ａ）は、閉じた瞳構成とした電極構成を示し、（ｂ）は、水平に分割された瞳とした電極構成を示し、（ｃ）は、垂直に分割された瞳とした電極構成を示し、（ｄ）は、４象限瞳構成とした電極構成を示す。
【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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【図９】
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