(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後続の分析または操作用の個別液滴を生成する機器であって、
（ａ）単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する液滴生成器と、
（ｂ）前記液滴生成器から前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する誘導電極と、
（ｃ）前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって電気力学的に浮揚させる浮揚装置と、
（ｄ）前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、後続の分析または操作のために、前記浮揚装置から、当該浮揚装置から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する電極アセンブリとを備える前記機器。
【請求項２】
前記標的位置は前記子液滴及びイオンが被着するのに好適な材料からなる基板である請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記機器は大気圧ガス・サンプリング質量分析装置を備え、前記標的位置が前記質量分析装置の真空チャンバと連通するオリフィスである請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記機器は基板を備え、前記標的位置が前記基板である請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記基板が、マトリックス支援レーザ脱離イオン化質量分析に適したプレートである請求項４に記載の機器。
【請求項６】
前記プレートが前記子液滴及びイオンを受け取る材料を備える請求項５に記載の機器。
【請求項７】
前記材料がマトリックスである請求項６に記載の機器。
【請求項８】
前記子液滴及びイオンがマトリックスを備える請求項５に記載の機器。
【請求項９】
前記プレートが少なくとも１つの凹部ウエルを備える請求項５に記載の機器。
【請求項１０】
前記液滴生成器が検体及び溶媒を含む個別液滴を生成する請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記誘導電極は前記液滴生成器の近傍に配置される請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記機器は前記浮揚装置をほぼ収納するチャンバを備える請求項１に記載の機器。
【請求項１３】
前記電極アセンブリが前記液滴生成器と前記浮揚装置の間に配置された第１プレート電極と、前記浮揚装置と前記オリフィスの間に配置された第２プレート電極とを備える請求項３に記載の機器。
【請求項１４】
前記第１プレート電極及び前記第２プレート電極の各々は、前記単一の個別液滴がその中を通過可能に形成された開口を有する請求項１３に記載の機器。
【請求項１５】
前記電極アセンブリが大気圧で動作可能である請求項３に記載の機器。
【請求項１６】
前記電極アセンブリは、前記浮揚装置と前記オリフィスの間において互いに平行な面内に配設された、互いに独立した複数の第２リング電極を備える請求項３に記載の機器。
【請求項１７】
前記浮揚装置から前記オリフィスに向かう方向に、前記第２リング電極の直径が徐々に小さくなっている請求項１６に記載の機器。
【請求項１８】
互いに３ｍｍ離間して配置された４つの独立した第２リング電極を備える請求項１７に記載の機器。
【請求項１９】
前記電極アセンブリが前記浮揚装置と前記オリフィスの間の４重極電極アセンブリを備える請求項３に記載の機器。
【請求項２０】
前記電極アセンブリが前記液滴生成器と前記浮揚装置の間に配置された第１プレート電極と、前記浮揚装置と前記基板の間に配置された第２プレート電極とを備える請求項４に記載の機器。
【請求項２１】
前記第１プレート電極及び前記第２プレート電極の各々は前記単一の個別液滴がその中を通過可能に形成された開口を有する請求項２０に記載の機器。
【請求項２２】
前記電極アセンブリは前記浮揚装置と前記基板の間において互いに平行な面内に配設された、互いに独立した複数の第２リング電極からなる積層体を備える請求項４に記載の機器。
【請求項２３】
前記浮揚装置から前記基板に向かう方向に、前記第２リング電極の直径は徐々に小さくなっている請求項２２に記載の機器。
【請求項２４】
互いに３ｍｍ離間して配置された４つの独立した第２リング電極を備える請求項２３に記載の機器。
【請求項２５】
前記電極アセンブリが前記浮揚装置と前記基板の間の４重極電極アセンブリを備える請求項４に記載の機器。
【請求項２６】
前記誘導電極はその中を前記単一の個別液滴が通過する開口を有する請求項１に記載の機器。
【請求項２７】
前記機器は並進ステージを備え、前記基板は前記浮揚装置に対して制御可能に移動可能である前記並進ステージ上に配置されている請求項４に記載の機器。
【請求項２８】
前記液滴生成器は前記個別液滴を供給する中空で平らな先端を有するノズルを備える請求項１０に記載の機器。
【請求項２９】
前記単一の個別液滴が検体及び溶媒を含む個別液滴であり、前記単一の個別液滴が脱溶媒するのに十分な期間にわたって前記単一の個別液滴は浮揚され、前記検体が帯電して、前記大気圧ガス・サンプリング質量分析装置内で質量分析するために前記電極アセンブリによって前記オリフィスに送達される間に前記単一の個別液滴のクーロン分裂によってイオンが放出される請求項３に記載の機器。
【請求項３０】
前記標的位置は前記子液滴及びイオンと接触したときに前記子液滴及びイオンと反応する可能性のある材料を備えた基板である請求項１に記載の機器。
【請求項３１】
前記液滴生成器、前記浮揚装置、及び前記標的位置は垂直方向に同軸に配列されており、前記液滴生成器は、前記単一の個別液滴を垂直方向に一つずつ放出し、前記単一の個別液滴は、前記誘導電極を通過することによって帯電され、前記浮揚装置は、前記液滴生成器から垂直に放出された前記単一の個別液滴を前記液滴生成器と前記標的位置との間の位置において浮揚状態で待機させるものであり、前記電極アセンブリは、浮揚状態で制御された期間待機した前記単一の個別液滴を前記標的位置に送達するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項３２】
前記電極アセンブリは、前記浮揚装置によって浮揚状態に保持された前記単一の個別液滴を選択的に前記標的位置に送達することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項３３】
後続の分析または操作用の個別液滴を生成する機器であって、
単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する液滴生成器と、
前記液滴生成器から前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する誘導電極と、
標的位置の近傍に配置されているとともに１対の独立した浮揚電極を含む電気力学的平衡部であって、前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって電気力学的に浮揚させるとともに、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、後続の分析または操作のために、前記電気力学的平衡部から、前記標的位置に向けて方向付け、送達する、前記電気力学的平衡部とを備える前記機器。
【請求項３４】
前記電気力学的平衡部の前記１対の独立した浮揚電極は、互いに平行な面内にある１対の第１リング電極である請求項３３に記載の機器
【請求項３５】
前記１対の第１リング電極間において、前記単一の個別液滴を浮揚させるための電界を生成する定電圧差が印加される請求項３４に記載の機器。
【請求項３６】
前記第１リング電極両端間の前記定電圧差が２０Ｖである請求項３５に記載の機器。
【請求項３７】
前記電気力学的平衡部が可変周波数で動作可能である請求項３３に記載の機器。
【請求項３８】
後続の分析または操作用の個別液滴を生成する機器であって、
単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する液滴生成器と、
前記液滴生成器から前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する誘導電極と、
１対の独立した浮揚電極を含む電気力学的平衡部であって、前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって電気力学的に浮揚させるとともに、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、後続の分析または操作のために、前記電気力学的平衡部から、当該電気力学的平衡部から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する、前記電気力学的平衡部と、
大気圧ガス・サンプリング質量分析装置とを備え、前記標的位置が前記質量分析装置の真空チャンバと連通するオリフィスであり、前記電気力学的平衡部は前記オリフィスの近傍に配置されている前記機器。
【請求項３９】
後続の分析または操作用の個別液滴を生成する機器であって、
単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する液滴生成器と、
前記液滴生成器から前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する誘導電極と、
１対の独立した浮揚電極を含む電気力学的平衡部であって、前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって電気力学的に浮揚させるとともに、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、後続の分析または操作のために、前記電気力学的平衡部から、当該電気力学的平衡部から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する、前記電気力学的平衡部と、
前記標的位置としての基板とを備え、前記電気力学的平衡部は前記基板の近傍に配置されている前記機器。
【請求項４０】
後続の分析または操作用の個別液滴を生成する方法であって、
（ａ）単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する工程と、
（ｂ）前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する工程と、
（ｃ）前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって浮揚装置を用いて電気力学的に浮揚させる工程と、
（ｄ）後続の分析または操作のために、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、前記浮揚装置から、当該浮揚装置から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する工程とを備え、前記浮揚装置から前記標的位置に前記子液滴及びイオンを送達するために電極アセンブリが使用される前記方法。
【請求項４１】
前記子液滴及びイオンを大気圧ガス・サンプリング質量分析装置に送達する工程を備え、前記標的位置は前記大気圧ガス・サンプリング質量分析装置と連通したオリフィスである請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記子液滴及びイオンを基板に送達する工程を備え、前記標的位置が当該基板である請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記基板がプレートであり、前記プレートをマトリックス支援レーザ脱離イオン化質量分析にかける工程を備える請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記子液滴及びイオンを受け取るための材料を前記プレートに塗布する工程を備える請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記材料がマトリックスである請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記子液滴及びイオンがマトリックスを備える請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記単一の個別液滴が検体及び溶媒を含む個別液滴であり、前記個別液滴が少なくとも部分的に脱溶媒するのに十分な期間にわたって前記個別液滴が電気力学的に浮揚される請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
前記浮揚装置に対して前記基板を移動する工程を備える請求項４２に記載の方法。
【請求項４９】
工程（ｃ）は大気圧で行われる請求項４０に記載の方法。
【請求項５０】
前記浮揚装置は第１及び第２リング電極を有する電気力学的平衡部を備え、前記単一の個別液滴を浮揚させるための電界を生成する定電圧差を前記第１及び第２リング電極間に印加する請求項４０に記載の方法。
【請求項５１】
前記実効電荷は前記単一の個別液滴の放出後に誘導される請求項４０に記載の方法。
【請求項５２】
前記単一の個別液滴を浮揚させて前記溶媒の蒸発速度を制御する間、前記単一の個別液滴をガスに当てる工程を備える請求項４７に記載の方法。
【請求項５３】
前記脱溶媒が前記単一の個別液滴のクーロン分裂を引き起こす請求項４７に記載の方法。
【請求項５４】
その子液滴中の検体が帯電してイオン源の生成に寄与するように、子液滴が脱溶媒するのに十分な期間にわたって前記各子液滴は浮揚される請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
後続の分析または操作のために前記子液滴を前記浮揚装置から前記標的位置へ送達する工程を備える請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記イオンを質量分析にかける工程を備える請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
工程（ｄ）において前記イオンをプレート上に被着させ、前記質量分析がマトリックス支援レーザ脱離イオン化質量分析を含む請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記イオンを被着させる前に前記プレートにマトリックスが塗布される請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記イオンを有する前記プレートにマトリックスが塗布される請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
前記イオンは順次前記プレート上に被着される請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
前記基板上に前記イオンのアレーを被着するように前記浮揚装置に対して前記基板を移動させつつ、請求項４２に規定される工程を繰り返す工程を備える請求項４８に記載の方法。
【請求項６２】
前記材料は前記子液滴及びイオンが前記基板と接触したときに前記子液滴及びイオンと反応する可能性のある材料である請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２０００年１０月２３日出願の米国仮出願第６０／２４２０５８号の特典を主張する。
（技術分野）
本発明は、個別粒子（a discrete particle）たとえば質量分析分野で利用する個別粒子の生成に関する。
【０００２】
（背景）
質量分析法は、個別分子の質量を測定する技術であり、貴重な化学的情報を提供する。質量分析装置は、電磁場を使用して真空中で荷電粒子（イオン）に力を働かせることによって動作する。混合物を質量分析装置で分析するためには、それを帯電（イオン化）して、そのイオンを気相状態で質量分析装置の真空部に導入しなければならない。タンパク質、ペプチドならびにＤＮＡ鎖及びＲＮＡ鎖などの生物由来の大型分子をイオン化するのは難しいことが過去に実証されている。というのは、これらの分子は、事実上蒸気圧がゼロであり、不安定であるからである。しばらくの間、質量分析法を大きく推進してきたのは、こうした大型生体分子用のイオン化源の開発であった。
【０００３】
ゲノム・マッピングの出現により、現在、多くの研究は、細胞が個々にそして組織または大型の生物の構成要素としてどのように機能するか理解することに集中している。こうした情報が、ある種の病気を制御、撲滅し、損傷を受けた人体部分を修復するために役立つことが期待されている。細胞内で発現したタンパク質の特徴づけと測定が細胞機能の理解を向上させると考えられている。ただし、タンパク質測定における挑戦課題はその感度である。というのは、どの細胞内にも、約１００，０００のまったく異なるタンパク質があると推定されるからである。どの細胞内にも、タンパク質が１個か２個しかないこともあるし、数百あるいはそれ以上存在することもある。現在、タンパク質の発現レベルを研究する唯一の方法は、細胞の集団、一般には百万個以上の細胞を分離し、その細胞の集団から分離したタンパク質に対して分析を行うことである。しかし、こうした状況においてさえ、一般に、低レベルで発現したタンパク質は、その数が検出レベル未満であるため同定されない。
【０００４】
エレクトロスプレー・イオン化法（ＥＳＩ）及びマトリックス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）の２つの技術が大型の生体分子をイオン化するために開発された。
ＥＳＩは脱溶媒（desolvation）の方法であり、低い直流電位に維持される対向電極から離れたところにある金属製のキャピラリ・ニードルに高い直流電位がかけられる。その電界により、（溶液中の検体を含む）液体がキャピラリから出て、何百万という帯電した液滴からなる微細なスプレーに分散する。このエアロゾル中の液滴は、電界と同じ極性の実効電荷をもつ。液滴から溶媒が蒸発するにつれ、液滴のサイズが減少し、液滴表面上の電荷密度が増加する。最終的に、クーロン斥力が液滴の表面張力に打ち勝ったとき、「クーロン爆発」が起こる。その結果、液滴の爆発が起こり、帯電量が少なくより小さい一連の液滴が形成される。個々に帯電した検体イオンが形成されるまで、縮小し爆発するこの工程が繰り返される。乾燥ガス流を、このスプレー・イオン流に向流して導入することによって、溶媒蒸発速度を増加させることが可能である。この乾燥ガスとして窒素がよく使用される。
【０００５】
液滴から溶媒が蒸発すると、クーロン分裂と溶媒蒸発を繰り返す工程により、最終的に、液滴中の検体分子（たとえば生体分子）上に実効電荷が被着する。たとえば、複数の陽子が付加したこの生体分子は、大気圧で液滴から脱離する。これらのイオンのうちのわずかな部分がオリフィスを通過して、質量分析装置の真空部に至り、分析にかけられる。
【０００６】
ＥＳＩ法の欠点は、サンプル材料のうちわずかな量（０．０１％またはそれ以下）しか利用されないことである。キャピラリから出た材料の大部分が行きつく先は、対向電極またはサンプリング・オリフィスがあるプレート上である。この理由は、液体溶液を液滴に分散させる電界が有害な空間電荷効果を引き起こす原因にもなるからである。空間電荷効果が生じるのは、各液滴と、エアロゾル噴霧中に得られるイオンがすべて、同じ極性の実効電荷をもつためであり、これらの液滴／イオンは、静電反発力のために互いに反発し合うことになる。これにより、キャピラリの先端部を出る液滴のスプレーがキャピラリの先端部を頂点とする円錐形に広がる。したがって、全体的なサンプル利用効率は、従来型ＥＳＩ法では低くなる。というのは、大気圧下の液滴／イオンを収束させて、サンプリング・オリフィスを通すのは極めて難しいからである。生体分子に関してしばしばそうであるが、少量の検体しか分析に利用できない場合、ＥＳＩの有効性が制限される。
【０００７】
ＭＡＬＤＩは、通常は液体のサンプルを、平らなプレート上またはプレート内に形成した凹部ウエル内に被着（deposit）させるものである。１つまたは複数の混合物からなるマトリックスも使用する。このマトリックスは、固体または液体である。サンプル材料をマトリックスの上下いずれかに層として被着させてもよく、マトリックスと均質に混合してもよい。一般に、マトリックス分子は、出発溶液内に、検体分子の約１０００倍の濃度で存在する。被着後、このプレートをパルス・レーザビームに曝露する。マトリックスはレーザからエネルギーを吸収し、それによる急激な振動励起及び色素の脱離が生じる。マトリックス分子は蒸散し、脱離した検体分子を、陽子またはアルカリ金属イオンで陽イオン化することが可能である。イオン化した検体分子を、「ＴＯＦ」（飛行時間）型分析器を使用して分析してもよい。このような場合、この技術全体を、しばしば「ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ」（マトリックス支援レーザ脱離イオン化飛行時間型質量分析法）と称する。
【０００８】
ＭＡＬＤＩでは、小さいサンプル・スポットが比較的高い感度をもたらす。ＭＡＬＤＩの現在の基本的な限界は１平方ミクロン当たり５分子であり、わずか直径１〜５ミクロンのサンプル・スポットを作り出す方法を提供することによりＭＡＬＤＩの検出限界をより低くすることが、ケラー、ビー  オー（Ｋｅｌｌｅｒ，Ｂ．Ｏ．）とリ、エル（Ｌｉ，Ｌ．）のＪ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ．２００１年、第１２巻、１０５５〜１０６３ページで提案されている。より小さい液滴を形成するためにより小さいサイズのキャピラリを使用して、これを実施してもよい。しかし、指摘されているように、ピコリットルの体積を取り扱うことは、比較的内径が小さいキャピラリでは問題になる。というのは、表面積対体積比が大きいほど表面張力が大きくなるからである。
【０００９】
したがって、個別粒子からイオン源を生成する、質量分析に適した方法及び機器の必要がある。生体分子などの検体をＭＡＬＤＩ質量分析用のプレート上に被着させる改善された技術の必要もある。
【００１０】
（発明の概要）
本発明の一態様によれば、後続の分析または操作のための個別液滴を生成する機器が開示される。この機器は、単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する液滴生成器、前記液滴生成器から前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する誘導電極、及び実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって電気力学的に浮揚させる浮揚装置、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、後続の分析または操作のために、前記浮揚装置から、当該浮揚装置から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する電極アセンブリとを備える。
【００１１】
一実施形態では、この浮揚装置は、１対の独立した浮揚電極からなる電気力学的平衡部である。この浮揚電極は、互いに平行な平面内にある１対の第１リング電極を含み得る。この第１リング電極両端間で電圧差を維持することが好ましい。たとえば、第１リング電極両端間の電圧は約２０Ｖとしてもよい。電気力学的平衡部は、可変周波数で動作可能とすることができる。対流電流を最小限に抑えるために、この浮揚装置をほぼチャンバ内に収納してもよい。
【００１２】
標的位置は、たとえば、大気圧ガス・サンプリング質量分析装置の真空チャンバと連通するオリフィスである。あるいは、子液滴及びイオンを被着させる基板、たとえばマトリックス支援レーザ脱離イオン化質量分析に適したプレートである。
【００１３】
電極アセンブリは、浮揚装置の一部を形成することも可能であり、機器の別の構成要素を構成することも可能である。本発明の一態様では、電極アセンブリは、大気圧で動作可能であり、液滴生成器と浮揚装置の間に配置された第１プレート電極、及び浮揚装置とオリフィスの間に配置された第２プレート電極からなる。
【００１４】
第１プレート電極及び第２プレート電極の各々は個別液滴がそこを通過することが可能に形成された開口を有する。
本発明の別の態様では、１対の独立した浮揚電極を含む電気力学的平衡部をオリフィスの近傍に配置する。
本発明の別の態様では、電極アセンブリは、浮揚装置とオリフィスの間に配設した４重極の電極アセンブリを含むことが可能である。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、電極アセンブリは、浮揚装置とオリフィスの間の互いに平行な面内に配設された、互いに分離された複数の第２リング電極からなる積層体を含むことが可能である。第２リング電極は、浮揚装置からオリフィスに向かう方向に径を徐々に小さくすることが可能である。たとえば、それぞれ互いに３ｍｍ離間して配置した４つの独立した第２リング電極を設けることが可能である。
【００１６】
当業者には理解されるように、離れた標的位置が質量分析装置の真空チャンバと連通するオリフィス以外のもの、たとえば、ＭＡＬＤＩプレートまたは子液滴及びイオンの被着に適した他のなんらかの基板である場合にも、本明細書で説明する様々な電極アセンブリを使用することが可能である。
【００１７】
誘導電極を液滴生成器の近傍に配置し、液滴生成器で液滴が生成される際に実効電荷が液滴内に誘導されることが好ましい。本発明の一実施形態では、液滴生成器は、検体及び溶媒を含む液滴を生成する。液滴生成器は、個別液滴がその中を通って供給される中空で平らな先端を有するノズルを備えることができる。液滴が少なくとも部分的に脱溶媒するのに十分な期間、浮揚装置内で液滴を浮揚させ、それによって質量分析用のイオン源をもたらす。
【００１８】
上述したように、マトリックス支援レーザ脱離イオン化質量分析に適したプレート上に個別液滴を被着させることが可能である。このプレートは、子液滴及びイオンを受け取る材料、たとえばプレート上に塗布したマトリックスからなることが好ましい。液滴生成器で生成した液滴は、被着工程中にこのプレート上に被着させるマトリックス材料を含むことも可能である。本発明の一実施形態では、このプレートは、少なくとも１つの凹部ウエルからなる。各ウエルにテスト・サンプル、たとえばプレート上に被着させた１つ（または複数）のイオンに潜在的に反応する生物学的または化学的材料をあらかじめ装入することが可能である。
【００１９】
本出願人の機器は、ＭＡＬＤＩプレートなどの基板を支持する並進ステージを含んでもよい。この並進ステージは、浮揚装置に対して相対的に、制御可能に移動可能である。
電極アセンブリを使用して、浮揚装置から、上述した遠隔標的位置に液滴を送達することが可能である。別の実施形態では、調節可能な焦点を有するレーザを使用することも可能である。この実施形態では、レーザによって、浮揚装置から標的位置に液滴を送達する。
【００２２】
後続の分析または操作のための個別液滴を生成する方法も開示する。この方法は、（ａ）単一の個別液滴を生成し１度に１つずつ放出する工程と、（ｂ）前記単一の個別液滴を放出後、当該単一の個別液滴に実効電荷を誘導する工程と、（ｃ）前記実効電荷の誘導された前記単一の個別液滴を、当該単一の個別液滴がクーロン分裂するのに十分な期間にわたって浮揚装置を用いて電気力学的に浮揚させる工程と、（ｄ）後続の分析または操作のために、前記単一の個別液滴のクーロン分裂により放出された子液滴及びイオンを、前記浮揚装置から、当該浮揚装置から離間した標的位置に向けて方向付け、送達する工程とを備え、前記浮揚装置から前記標的位置に前記子液滴及びイオンを送達するために電極アセンブリが使用される。一実施形態では、工程（ｃ）を大気圧で実施する。この方法は、たとえば、子液滴及びイオンを、大気圧ガス・サンプリング質量分析装置またはＭＡＬＤＩプレートなどの離れた基板に送達することが可能である。マトリックスなどの子液滴及びイオンを受け取る材料をそのプレートに塗布してもよい。子液滴及びイオンがマトリックス材料を含んでもよい。この方法は、たとえば子液滴及びイオンの被着セッション中に、浮揚装置に対して相対的に基板を移動する工程も含む。
【００２３】
個別液滴が検体及び溶媒を含むことが可能である。この場合、本出願人の方法は、個別液滴が少なくとも部分的に脱溶媒するのに十分な期間、電気力学的に液滴を浮揚させる工程を含む。
個別液滴が生成される際に実効電荷を誘導することが好ましい。その個別液滴を、電気力学的平衡部両端間に定電圧差を印加することによって浮揚させることが可能である。１変形形態では、個別液滴が浮揚している間にガスを当てて、溶媒の蒸発速度を制御することが可能である。
【００２７】
（説明）
本発明をより完全に理解するために、下記の記載全体に特定の詳細を示す。しかし、本発明は特定の詳細以外に実施してもよい。他の例では、本発明が不必要に不明瞭になるのを避けるために周知の要素を示さず、あるいは詳細に説明していない。したがって、明細書及び図面は、限定的なものではなく、例示的なものとみなすべきである。
【００２８】
図１は従来技術によるＥＳＩ構成を示す概略図である。このＥＳＩ構成１０では、直流電圧を印加した金属キャピラリ１２を、より低い直流電位に保持した対向電極１４から離して配置する。プレート１６を対向電極１４の後ろに配置する。プレート１６はイオン化した検体分子が通過可能に形成されたオリフィス１８を有する。サンプリング・オリフィス１８の右側には、第１及び第２の差圧真空段がある。プレート１６とスキマー１９の間の領域を、第１の圧力に保持し、スキマー１９の右側にある主真空チャンバ内の圧力は、より低い圧力に保持する。イオン化した分子は、質量対電荷比分析器２０中を通過し、検出器２２によって検出される。このＥＳＩ構成１０では、キャピラリ１２から出る液体は分散し、液滴２６からなる微細なスプレー２４になる。クーロン分裂及び溶媒蒸発の循環工程により、最終的に、液滴中の検体分子上に実効電荷が蓄積することになる。遺憾ながら、このＥＳＩ構成１０では、このサンプルの大部分が無駄になる。というのは、すべて同じ極性の実効電荷をもつ液滴２６同士が反発し合い、その結果、対向電極１４中の開口２８及び真空部に至るオリフィス１８よりも何倍も大きい面積に広がるスプレー２４になるからである。したがって、従来型ＥＳＩ構成１０では、全体的なサンプル利用効率は低い。
【００２９】
ＥＳＩの場合のように、空間電荷効果に影響されやすい液滴を毎秒何百万個も生成する代わりに、本発明は個別粒子の生成に基づいている。本明細書では、「粒子」という言葉は、固体要素、液滴、単一分子または（１つまたは複数の細胞を含む）クラスター分子を含む。したがって、粒子は、１つまたは複数の副粒子を含んでもよい。説明の都合上、本明細書で論じる「粒子」を、検体（たとえば生体分子）及び溶媒を含む孤立した単一の液滴とする。粒子が生成される際に、実効電荷をこの粒子上に帯電させる。本明細書では、「イオン」という用語は、実効電荷をもつ粒子を意味する。
【００３０】
個別粒子は、浮揚装置に送達される。個別粒子の送達は、たとえば、個別粒子の生成に使用する粒子生成器によって行われる。たとえば、粒子生成器が液滴生成器の場合、液滴生成器内で（適当な背圧を伴って）圧電性結晶に電気パルスを加えることにより、浮揚装置に移動するのに十分な速度をもつ孤立した液滴が放出される。あるいは、粒子を浮揚装置に送達する他の適当な手段、たとえばガス流を使用することも可能である。
【００３１】
個別粒子は浮揚装置によって電気力学的に浮揚される。本明細書では、「浮揚した」という用語は、粒子が浮かぶことを意味する。粒子が浮揚する期間は、個々の状況に応じて変えることが可能である。次いで、粒子は、離れた標的位置に浮揚装置から送達される。本明細書では、標的位置が浮揚装置の中心またはゼロ位置から空間的に、分離量は小さくてもよいがいくらか分離しているという意味で、標的位置は浮揚装置から「離れて」いる。本発明の一態様では、標的位置は、大気圧ガス（及びイオン）サンプリング質量分析装置の真空部に至る（すなわち連通する）オリフィスである。本発明の別の態様では、標的位置は、プレート上に粒子を被着した後でＭＡＬＤＩ質量分析にかけられるプレートである。個別粒子は、電極アセンブリによって標的位置に送達することが可能である。個別粒子が液滴の場合、クーロン分裂により液滴（「親」液滴と称する）から失われた実効電荷は、より小さい液滴（「子」液滴と称する）を操作することによって質量分析装置のオリフィスに送達される。浮揚装置内で、同時に１つまたは複数の粒子を浮揚させることも可能である。
【００３２】
図２は、本発明の機器２９の概略図である。機器２９は粒子生成器３２及び浮揚装置３０を備える。粒子生成器３０は個別粒子を生成する任意の手段、たとえばエアロゾル生成器または液滴生成器とすることが可能である。浮揚装置３０は、個別粒子を浮揚させる任意の手段とすることが可能である。本明細書では、例として、浮揚装置３０が２つのリング電極４８、５０からなる電気力学的平衡部（balance）を備えている場合について説明する。本発明の範囲内に含まれる電気力学的平衡部などの多くの構成が存在することが当業者には理解されよう。たとえば、リング電極４８、５０を、本発明から逸脱せずに、（たとえばリング状及び非リング状という）異なる幾何形状の構成としてもよい。
【００３３】
動作中、（図示しない）個別粒子は、粒子生成器３２によって生成され、浮揚装置３０に送達され、次いで、リング電極４８、５０の間の浮揚装置３０によって浮揚される。液滴生成器３２と浮揚装置３０の間に、誘導電極５２が配置される。電位を誘導電極に印加して、粒子生成器３２によって生成された個別粒子上に所望の極性の実効電荷を誘導する。たとえば、プラスの直流電位を誘導電極５２に印加して、粒子生成器３２によって生成された個別粒子上にマイナスの実効電荷を誘導する。逆に、個別粒子上にプラスの実効電荷を誘導しようとする場合、マイナスの直流電位を誘導電極に印加してもよい。
【００３４】
図２に、オリフィス３３、真空チャンバ３７内のマス・フィルタ３５、及び検出器３９を有する大気圧ガス（及びイオン）サンプリング質量分析装置３１を示す。電気力学的平衡部３０内で粒子を浮揚させた後、粒子をオリフィス３３に送達して、質量分析装置３１により分析にかける。以下にさらに説明するように、本発明の別の態様では、個別粒子を、電気力学的平衡部３０から送達し、ＭＡＬＤＩ質量分析にかけられるプレート上に被着させることも可能である。
【００３５】
図３乃至６及び１０は、粒子生成器３２が液滴生成器であり、浮揚装置３０がリング電極４８、５０からなる電気力学的平衡部である、本発明のさらなる例示的な機器６８、７６、７８、８１、８８の概略図面である。
【００３６】
機器６８、７６、７８、８１、８８はそれぞれ、浮揚装置３０及び液滴生成器３２を備える。液滴生成器３２は溶液中に検体を含む液体サンプルに動作可能に連結される。図３乃至６及び１０に示すように、下部３２ｂのところで、チューブ３６により液滴生成器３２をシリンジ３４に連結することが可能である。液体サンプルの送達を、他の周知の方法のいずれか１つ、たとえば、クロマトグラフィー・カラムやガラスあるいはシリコン・チップ上に微細加工したカラムなどの分離方法で行うことも可能であることを理解されたい。
【００３７】
図３乃至６に示す実施形態では、液滴生成器３２の上部３２ａにノズル３８が取り付けられている。ノズル３８は、安定な液滴の生成を維持する助けとなる。ノズル３８を図１７に詳細に示す。ノズル３８は、開口４２を囲む平らな先端部４０を有する。開口４２は、浮揚装置３０及び真空チャンバ４６に至るオリフィス４４の中心に対して垂直方向に同軸である。
【００３８】
浮揚装置３０は液滴生成器３２の上方に配置される。図示した本発明の実施形態では、浮揚装置３０は、垂直方向に離間して配置された２つの平行なリング電極４８、５０からなる電気力学的平衡部である。リング電極４８、５０は、銅線から形成することが可能である。リング電極４８、５０を図８にも示す。
【００３９】
液滴生成器３２と電気力学的平衡部３０の間に誘導電極５２が配置される。電位を誘導電極５２に印加することによって、液滴が電気力学的平衡部３０に送達される前に、実効電荷が液滴生成器３２から生成された各液滴上に誘導される。この電位の極性は、液滴生成器３２で生成された液滴上に誘導しようとする実効電荷により決まる。
【００４０】
大気圧ガス（及びイオン）サンプリング質量分析装置６５の下方に機器６８、７６、７８、８１が示される。図３乃至６では、質量分析装置６５は、真空チャンバ４６、液滴生成器５２と整列させたオリフィス５７を有するスキマー５８、及びスキマー５８を真空チャンバ４６から電気的に分離するデルリン製のスペーサ６２を備える。真空チャンバ４６は、ＣＥＭイオン電流を（図示しない）適切な計数ユニットに送るチャネル電子増倍器６４を収納する。真空チャンバ４６は差動排気することが可能である。
【００４１】
図３乃至６の機器６８、７６、７８、８１は、１つ（または複数）の液滴の浮揚を妨げる対流電流を最小限に抑えるために、電気力学的平衡部３０を収納するプレキシガラス・チャンバ６６を備える。上部プレート６７中のオリフィス４４は、質量分析装置６５の真空チャンバ４６に通じている。
【００４２】
図３乃至６に示す機器６８、７６、７８、８１は、（ａ）電気力学的平衡部３０及び液滴生成器３２の構造、及び（ｂ）液滴生成器３２のノズル３８と電気力学的平衡部３０の間の分離という点で同じである。機器６８、７６、７８、８１の構造上の違いは、子液滴及びイオンを操作し、電気力学的平衡部３０から質量分析装置６５の真空チャンバ４６に至るオリフィス４４に向かって方向づけるための様々な電極アセンブリの構成に関係する。
【００４３】
図３を参照すると、機器６８は、子液滴と、そのような液滴から脱離したイオンとをサンプリング・オリフィス４４に向かって案内する２つの電極アセンブリを備える。この２つの電極アセンブリは、下部電極及び上部電極を備える。下部電極は、液滴生成器３２の上、電気力学的平衡部３０の下に配置された下部プレート電極７０を備え、上部電極は、電気力学的平衡部３０の上に配置された上部プレート電極７２を備える。上部プレート電極７２は、ＥＳＩ構成１０で使用するような従来型の対向電極とすることが可能である。下部プレート電極７０は、その中に開口７４を画定して、液滴生成器３２から生成された液滴が電気力学的平衡部３０に送達されるようにする。上部プレート電極７２は、その中に開口７３を画定して、液滴がそこを通って電気力学的平衡部３０からオリフィス４４に送達されるようにする。
【００４４】
図４を参照すると、機器７６内にある電極は、リング電極４８、５０だけである。すなわち、図３の機器６８と比べて、下部プレート電極７０及び上部プレート電極７２が省略されている。その代わりに、機器７６内においてサンプリング・オリフィス４４の近傍に配置された浮揚リング電極４８、５０が電極アセンブリとしても機能する。
【００４５】
図５を参照すると、機器７８は、浮揚リング電極４８、５０の上に配置された４つの案内リング電極８０、８２、８４、８６を含む。上側の案内電極ほど、すぐ下の案内電極よりも直径が小さい。すなわち、電極８０の直径＞電極８２の直径＞電極８４の直径＞電極８６の直径となる。案内電極８０、８２、８４、８６の間の間隔は、案内電極８０と８２の間隔が、たとえば電極８４と８６の間隔と同じになるように定めることが可能である。案内リング電極８０、８２、８４、８６を図９にも示す。図５の機器７８の実施形態に示す４つの代わりに、（設計制約条件内で）任意の数の案内電極を使用し得ることが理解されよう。
【００４６】
図６を参照すると、機器８１は、機器７８内で案内リング電極８０、８２、８４、８６の積層体が配置されている場所に４つの円柱電極８３からなる４重極が配置されている点を除き、機器７８（図５）と同様である。図７は、機器８１の４重極電極配置を示す断面図である。
動作中、（図示しない）液滴が液滴生成器３２で生成され、１度に１つずつ電界の助けなしで電気力学的平衡部３０の中心（すなわち、サンプリング・オリフィス４４と垂直方向に同軸であり、リング４８、５０の中央の点）に上昇するのに十分な初期速度で液滴生成器３２から上方に放出される。液滴が生成されるとき、誘導電極５２の開口５３を通過することによって、液滴上に実効電荷が誘導される。
【００４７】
後で説明するように、子液滴及び粒子を、直流電圧を印加して操作し電気力学的平衡部３０から案内するが、浮揚リング電極４８、５０に直流電位を印加して重力を相殺することなしに、浮揚リング電極４８、５０の間で荷電液滴を浮揚させることが可能である。一実施形態では、位相差が０°で１３００Ｖの（６０Ｈｚ）交流電位をリング電極４８、５０に印加することによって、浮揚リング電極４８、５０の間で荷電液滴を浮揚させることが可能である。電気力学的平衡部３０を可変周波数の電気力学的平衡部とし得ることも企図されている。様々な波形（たとえば、交流、直流、または交流及び直流）を電気力学的平衡部３０に印加して、粒子を浮揚させることも可能である。
【００４８】
浮揚装置３０内（すなわち、浮揚リング電極４８、５０の間）で浮揚された液滴は、溶媒の蒸発により、クーロン限界まで縮小することになる。クーロン限界で、液滴は、フラグメント化するかまたは「爆発」し、イオン及び子液滴を放出する。
【００４９】
このイオン及び子液滴を、サンプリング・オリフィス４４（及び真空チャンバ４６）に案内し、質量分析にかけることが可能である。これは、たとえば、図３乃至６にそれぞれ示す機器６８、７６、７８、８１の電極アセンブリを使用して実施することが可能である。従来技術であるＥＳＩと比較すると、この手法により、空間電荷反発力がかなり減少し、電気力学的平衡部３０内部の親液滴中の実効電荷を質量分析装置６５に伝達する効率をより高めることが可能である。これまでには、単一の液滴から放出された電流を集めて、質量分析装置で調べる試みはなかった。本発明では、質量分析装置で、実効電荷をもつ単一の親液滴から発する電流のより多くのわずかな部分を回収することが可能である。これにより、質量分析装置の高い化学的特異性とあいまって、極めて高い感度（すなわち、低い濃度検出限界）を可能とするイオン源を作り出すことが可能になる。
【００５０】
上述したように、図３乃至６の機器６８、７６、７８用の上記電極アセンブリにより、電気力学的平衡部３０からオリフィス４４に向かい真空チャンバ４６内に至る子液滴及びイオンの送達を制御してもよい。
図３の機器６８を参照すると、子液滴及びそれから脱離したイオンの垂直位置を、たとえば、下部プレート電極７０と上部プレート電極７２の両端間の直流電位を変えることによって操作することが可能である。液滴及びイオンは上方に向けられ、上部プレート電極７２中の開口７３を通ってオリフィス４４に至る。
【００５１】
図４の機器７６を参照すると、２つの浮揚リング電極４８、５０の両端間に印加した定電圧差により、子液滴及びイオンは電気力学的平衡部３０から上方に向けられる。この機器の一実施形態では、リング電極４８、５０の両端間の直流定電圧を、（Ｖr,top−Ｖr,bottom）＝−２０Ｖと規定する。ただし、Ｖr,topは上部リング電極４８に印加する直流電圧、Ｖr,bottomは下部リング電極５０の直流電圧であり、Ｖr,topは３０〜２８０Ｖの間で変化させた。
【００５２】
図５の機器７８を参照すると、子液滴及びイオンの操作は、電気力学的平衡部３０の上に配置された案内リング電極８０、８２、８４、８６によって行われる。上部リング電極４８に印加したのと同じ直流及び交流電位を、案内リング電極８０、８２、８４、８６に印加可能であることがわかっている。液滴及びイオンは、案内リング電極８０、８２、８４、８６によって上方に向けられ、オリフィス４４に至る。
【００５３】
図６の機器８１を参照すると、子液滴及びイオンの操作は、電気力学的平衡部３０の上に配置され、垂直配向された円筒電極８３からなる４重極電極アセンブリによって行われる。図６には、２つの円筒電極８３しか示していないが、図７の断面図には４つのすべての円筒電極８３が示される。液滴及びイオンは電気力学的平衡部から上方の４つの電極８３の間に向けられる。
【００５４】
本発明の別の態様では、上述したように液滴及び粒子を放出し直接質量分析にかけるのではなくて、それらを電気力学的平衡部３０から放出し、プレート上に被着させて、ＭＡＬＤＩで質量分析を行うことが可能である。マトリックスをあらかじめ塗布したＭＡＬＤＩプレート上に検体を含む液滴を被着させることも可能であり、あるいは、マトリックスを出発溶液に加えて、生成された各液滴が検体及びマトリックス分子を含むようにすることも可能である。後者の場合、ＭＡＬＤＩプレートには、あらかじめマトリックスを塗布しない。
【００５５】
ＭＡＬＤＩプレート９０上に液滴を被着させるための機器８８を図１０に示す。機器８８は、図５の機器７６と同様に、液滴生成器３２、チューブ３６、シリンジ３４、誘導電極５２、２つの浮揚リング電極４８、５０からなる電気力学的平衡部３０、及びプレキシガラス・チャンバ６６がすべて存在するという点で、構造上図４の機器７６と同様である。しかし、機器８８は、浮揚リング電極４８、５０の上の電気力学的平衡部３０から放出された液滴を被着させる場所に、ＭＡＬＤＩプレート９０を有する。観察のために、レーザ９２を配置し、電気力学的平衡部３０内で前方散乱により液滴を照明する。レーザ９２は、たとえば、４ｍＷの緑色ＨｅＮｅレーザを含むことが可能である。
【００５６】
機器８８の動作は、液滴生成器３２が液滴を生成し、誘導電極５２が液滴上に実効電荷を帯電させ、浮揚装置３０（すなわち、浮揚リング電極４８、５０の間）内で液滴を浮揚させてクーロン分裂をもたらすという点で、上述したものと同様である。リング電極４８、５０から液滴を放出するために、誘導電極５２の電位を維持し、増加する電位をＭＡＬＤＩプレート９０に印加することが可能である。液滴は、その実効電荷のために、ＭＡＬＤＩプレート９０に向かってますます引きつけられ、最終的に、その上に被着する。マトリックス１００をＭＡＬＤＩプレート９０にあらかじめ塗布することも可能だし、あるいは液滴が生成される出発溶液がマトリックス１００を含むことも可能である。後者の場合、ＭＡＬＤＩプレート９０には、あらかじめマトリックスを塗布しない。
【００５７】
次いで、液滴を被着させたプレート９０を質量分析装置に挿入して、従来通りＭＡＬＤＩを使用して分析する。ＭＡＬＤＩ質量分析用のプレート９０上にサンプルを被着させるのが、被着液滴／粒子中のサンプル混合物があらかじめ濃縮され、したがって、より小さいサンプル・スポット・サイズにすることが可能な点で有利である。こうすると、状況によっては、プレート上に（被着後、表面上のサンプル・スポット材料を少なくするために従来使用されてきた）微細加工した表面ウエルを作り出す必要がない。さらに、ＭＡＬＤＩプレートの直流電位を適切に増加させて、被着粒子の所望のアレイを、被着プレート上に形成することも可能である。これらのファクタは、より感度の高いＭＡＬＤＩ質量分析法をもたらすのに寄与する。
【００５８】
本発明の一実施形態では、たとえば粒子被着セッション中に、浮揚装置３０に対して相対的に移動可能な（図示しない）可動並進ステージ上にプレート９０を支持することが可能である。この並進ステージは、所定の経路を移動してプレート９０上に被着させる粒子の所望のパターンが得られるようにプログラムすることが可能である。当業者には理解されるように、粒子の被着、並進ステージの移動、及び分析のためのＭＡＬＤＩプレートの質量分析装置への送達を自動化して、改善された分析結果をもたらすことが可能である。たとえば、コンピュータ・コントローラ及びロボットを利用して、操作者の介入の必要を低減させることが可能である。
さらに、以下の例により本発明をより詳しく示すが、本発明はこれら特定の例に限定されないことを理解されたい。
【００５９】
実施例１
本発明のいくつかの実施形態の機器の電流利用率をテストし、従来技術であるＥＳＩ構成から得られたものと比較した。テストした機器は、図３乃至５に示す機器６８、７６、７８の実施形態とほぼ同様で、下記のパラメータを用いた。参照しやすくするために、テストした機器を、場合に応じて、テスト機器６８、７６、または７８と称することにする。比較のために、以下のパラメータを有するＥＳＩ構成についてもテストした。
【００６０】
ＡＣＳグレードの塩化ナトリウム及びテトラブチルアンモニウム塩化物と、脱イオン化蒸留水とを使用して、１０ｍＭの原液を調製した。次いで、この２つの原液を、ＥＳＩ機器またはテスト機器６８、７６、７８で使用する前に、ＡＣＳグレードのメタノールを使用して５μＭに希釈した。
【００６１】
このＥＳＩ機器は３ｋＶのバイアスをかけたステンレス鋼製のキャピラリ（内径０．１ｍｍ×外径０．２ｍｍ）からなる。サンプル溶液を、シリンジ・ポンプ（コール−パーマー製、モデル７４９００）により毎分５μＬの速度で、このキャピラリ内にポンプ輸送した。窒素のカーテン・ガスを毎分１Ｌの流量で、サンプリング・オリフィスと（３００Ｖに保持した）対向電極の間の領域に送達した。ＥＳキャピラリを、真空チャンバのイオン軸から２〜３ｍｍ離して配置し、キャピラリ先端部と対向電極との分離を１０ｍｍとした。
【００６２】
テスト機器６８、７６、７８には、液滴生成器（米国ニューヨーク州ブルックリン所在のユニ−フォトン・システムズ社から入手、モデル２０１）を使用し、１Ｈｚで液滴を生成するように設定した。この液滴生成器を長さ８ｃｍ×直径１ｃｍのステンレス鋼製チューブ内に収納した。標準の配管金具で両端を終端した別のステンレス鋼製チューブを、このハウジング中に通した。圧電性結晶でハウジング内の内部チューブを取り囲んだ。
【００６３】
実験室の火炎を使用して、被覆していない石英ガラスの短片（内径３５μｍ×外径１５０μｍ）をホウケイ酸ガラス・チューブ（内径１．６ｍｍ×外径３．２ｍｍ）内に封入することによって、液滴生成器用の（図１７のノズル３８と同様の）ノズルを構築した。この新たに形成した火炎研磨先端部を丸め、高速ドリルを使用し光学ラッピング・ペーパー上で平坦に研磨して、ノズルを形成した。
【００６４】
このノズルとは反対側の液滴生成器ハウジングの端部を、短いチューブでシリンジに連結した。圧電性結晶に高電圧パルスを印加して、液滴生成器アセンブリ内部のステンレス鋼製サンプル・チューブの径を収縮させた。シリンジ・ポンプからの適切な背圧により、液滴をノズルから押し出し、電気力学的平衡部３０に送達した。
【００６５】
誘導電極を直流−１２５Ｖに設定して使用することにより、液滴が形成される際に各液滴上に電荷を与える誘導電極が、液滴にプラスの実効電荷を与えた。誘導電極は、液滴生成器のノズルの近傍に配置した。
液滴生成器のノズルを、電気力学的平衡部の下部リングの２０ｍｍ下のところに、電気力学的平衡部及び真空チャンバに至るオリフィスの中心に対して同軸になるように配置した。電気力学的平衡部を、４．６ｍｍの分離間隔で平行に整列させた１．７ｍｍ径の銅線製の（半径６．５ｍｍの）２つの浮揚リング電極から構築した。位相差が０°で１３００Ｖop'に増幅した６０Ｈｚのライン信号を両方の浮揚リング電極に印加することによって、電気力学的平衡部の中心部に荷電粒子を蓄えた。浮揚リング電極に直流電圧を印加せずに、液滴を浮揚させることも可能である。印加直流電圧は、単に子液滴を操作するためだけに用いた。
【００６６】
液滴生成器のノズルから放出された液滴は、測定により毎秒約０．８ｍの初期速度であり、電界の助けなしで、電気力学的平衡部の中心までの距離（約２２ｍｍ）を上昇することが可能であった。プレキシガラス・チャンバを使用して、それがないと主液滴の浮揚を妨げる対流電流を最小限に抑えた。
【００６７】
上部浮揚リング電極にかける直流電圧の大きさを３０〜２８０Ｖの間で変化させ、下部浮揚リング電極に印加する直流電圧は、（Ｖr,top−Ｖr,bottom＝）−２０Ｖで固定オフセットした上部電極の直流電圧を追従させた。上部リング電極の直流電位の大きさは、子液滴が浮揚装置からサンプリング・オリフィスに向かった後に、クーロン分裂によって放出された子液滴の速度に影響を及ぼした。２つの浮揚リング電極間の一定の直流電圧差（Ｖr,top−Ｖr,bottom）である−２０Ｖは、分裂中の親液滴からすべての子液滴を上方にのみ放出させるのに十分な大きさであった。最初のクーロン分裂イベント開始から、主液滴自体の残留物が電気力学的平衡部から上方に放出されるまで、１００ミリ秒未満の間、短期間途切れながらも、液滴が子液滴を放出することが観察された。子液滴からのレーザ光の散乱により、この挙動を肉眼で観察することが可能であった。２つの浮揚リング電極間に印加した直流オフセット電位は、電気力学的平衡部内で蒸発中の主液滴の垂直位置に顕著な影響を及ぼさなかった。対照的に、最初のクーロン分裂イベント開始後の（１００ミリ秒未満の）期間中、おそらくは放出された子液滴からの静電反発のため、主液滴が垂直方向に１ｍｍ未満の振幅で振動していたことがわかった。
【００６８】
図３乃至５に示すように、真空チャンバをテスト機器６８、７６、７８ならびにテストしたＥＳＩ構成に取り付けた。２段階の差動排気を用いた。厚さ５０μｍのステンレス鋼製の箔を１００μｍ径のオリフィス（カナダ国ケベック州セントローレント所在のハーバード・アパレイタス（Harvard Apparatus）社製）とともに使用して、大気圧でガスをサンプリングし、第１段の減圧（１トール：１３３．３２Ｐａ）に導いた。この箔には直流７０Ｖのバイアスをかけた。差動排気チャンバを、５．５Ｌ／ｓロータリー・ポンプ（カナダ国オンタリオ州ミシソーガ所在のレイボールド（Leybold）社製、モデルＤ１６Ａ）で排気した。スキマーのオリフィスは直径０．５０ｍｍであり、オリフィスとスキマー先端部の分離距離は３．２ｍｍであった。スキマーには５Ｖのバイアスをかけた。デルリン製スペーサにより、接地した真空チャンバからスキマーを電気的に分離した。５０Ｌ／ｓターボ分子ポンプ（レイボールド社製、モデルＴＭＰ０５０）を使用して、ＣＥＭ（チャネル電子増倍器）（米国マサチューセッツ州パルマー所在のディテクト社製、モデル３１０Ｇ）を収納するチャンバを排気した。ＣＥＭに対するバイアス電位は−２４００Ｖであった。ＣＥＭイオン電流をフォトン・カウンティング・ユニット（浜松社製、モデル３８６６）中に通し、得られたＴＴＬ信号をカウントした。スキマー先端部とＣＥＭの分離距離は８２ｍｍであり、この領域では電極ガイドは使用しなかった。
【００６９】
テスト機器６８では、電気力学的平衡部の上下にそれぞれプレート電極を１つ備える２枚プレートの電極アセンブリを使用して、子液滴を案内した。下部プレートは５ｍｍ径の開口を有し、それによって、液滴生成器のノズルから放出された液滴がその開口を通り、直接上方の電気力学的平衡部内に至った。図３に、下部プレート電極７０を備える機器６８を示すが、この下部プレート電極７０を取り除いた形でもテストを行った。窒素ガス流を、サンプリング・オリフィス・プレートと対向電極の間の領域に、毎分０〜０．５Ｌの範囲で供給した。
【００７０】
テスト機器７６では、大気圧下にある電極は、電気力学的平衡部３０の２つの浮揚リング電極だけであった。上部及び下部浮揚リング間の直流電圧差を−２０Ｖに維持し、上部浮揚リング電極に印加した直流電位を１５０〜２８０Ｖで変化させた。
【００７１】
テスト機器７８では、電気力学的平衡部の上に配置された一連の４つの案内リング電極を使用して子液滴を案内した。上にある案内電極ほど、すぐ下の案内電極よりも直径が小さい。０．８ｍｍ径の銅線の短い素線からリングを作ることによって、案内リング電極を製作した。これらの案内リング電極を、分離間隙をそれぞれ同じ３ｍｍとして、電気力学的平衡部の浮揚リング電極の上に配置した。上部浮揚リング電極に印加したのと同じ直流及び交流の電極バイアスを各案内リング電極にも印加した。電気力学的平衡部の上部及び下部浮揚リング電極にはそれぞれ２８０Ｖ及び３００Ｖの直流バイアスをかけた。
【００７２】
テスト機器６８（下部プレート電極７０を備える場合と備えない場合）、７６及び７８では、液滴生成器で生成された液滴が、電気力学的平衡部の中心まで（約２２ｍｍを）約７５ミリ秒で飛行し、次いで、その液滴を脱溶媒する間そこで浮揚させた。液滴は、その形成後５５０±７５ミリ秒で脱溶媒して、最初のクーロン限界に達した。液滴は、１００ミリ秒未満の間不連続的に分裂し、その後、元の液滴の残留物自体が、電気力学的平衡部から放出された。これらの観測は、電気力学的平衡部内部で、半導体レーザで液滴を照明することによりレンズを使わずに目視し、液滴の生成から最初のクーロン分裂イベント開始までの時間をストップウォッチにより手作業で測定することによって行った。こうした測定の１０３回の平均値は、５５０ミリ秒であった。
【００７３】
テストしたＥＳＩ構成の真空チャンバ内のＣＥＭからのプラスのイオン電流は、毎秒３×１０3カウント以下であった。どちらのテスト溶液でも同じイオン・カウント率が得られたため、イオン電流は、溶液中の陽イオンの性質には無関係であった。別の実験では、固体対向電極プレートに到達する電流を測定すると、どちらのサンプル溶液についても５００ｎＡとなった。これは、電流利用効率が１×１０-9以下であることに相当する。
【００７４】
ＥＳＩ構成１０の場合と同様に、実効電荷をもつ単一の液滴から測定したイオン電流は、どちらのテスト溶液でも同じイオン・カウント率が得られたので、溶液中の陽イオンの性質には無関係であった。
【００７５】
（図３の）テスト機器６８の下部プレート電極７０を定位置におき、あるいは取り除くと、１液滴当たりの平均イオン・カウントはそれぞれ、０．３〜１．８カウントの範囲の値をとった。したがって、（下部プレート電極７０を備える場合または備えない場合の）テスト機器６８では、１０秒間の積分当たり約１×１０-7のイオン利用効率が得られ、ＥＳＩ構成で測定された値の１×１０-9以下に対して、イオン利用において２桁向上した値が得られた。
【００７６】
テスト機器７６では、浮揚リング電極４８を、（浮揚リング電極間の分離は一定にしたままで）サンプリング・オリフィスから２ｍｍ離して配置した。テスト機器７６では、浮揚リング電極に印加した直流電圧バイアスの大きさに応じて、１液滴当たり２．５〜５カウントの範囲の値をとる改善されたイオン電流が得られた。カウント数の増加の理由として、浮揚リング電極に印加したより大きな直流バイアス電位によって、子液滴及びイオンがサンプリング・オリフィスに向かってより高速で流れてゆき、それによって、子液滴及びイオンの軸外拡散の度合いが低減したのではないかと推測される。
【００７７】
孤立した液滴から測定した最大イオン電流をテスト機器７８で記録した。上部案内リング電極８６はサンプリング・オリフィスから２ｍｍ離れたところに位置し、下部案内リング電極８０は上部浮揚リング電極４８の３ｍｍ上のところにあった。テスト機器７８で、１液滴当たり約４０というイオン・カウント率が測定され、このデータ・セットにより示されるイオン利用効率は、約４×１０-6となり、テストしたＥＳＩ構成に対して著しく向上した。
【００７８】
図１１はテスト機器６８（下部プレート電極７０を備える場合と備えない場合）、７６及び７８の、１０秒にわたる積分のイオン・カウントをプロットしたグラフである。図１１中の印はそれぞれ、以下の機器から得られた結果を表す。
【００７９】
（ａ）白抜きの菱形−上部（対向電極）及び下部プレート電極にそれぞれ直流３０Ｖ及び５００Ｖのバイアスをかけ、上部及び下部電気力学的平衡部電極リングにそれぞれ直流５０Ｖ及び７０Ｖをかけたテスト機器６８の場合。
（ｂ）黒塗りの菱形−上部（対向電極）及び下部プレート電極にそれぞれ直流１５０Ｖ及び５００Ｖのバイアスをかけ、上部及び下部電気力学的平衡部電極リングにそれぞれ直流１８０Ｖ及び２００Ｖをかけたテスト機器６８の場合。
【００８０】
（ｃ）黒塗りの三角形−下部プレート電極７０を取り除き、上部（対向電極）電極に直流１５０Ｖのバイアスをかけ、上部及び下部電気力学的平衡部電極リングにそれぞれ直流１８０Ｖ及び２００Ｖをかけたテスト機器６８の場合。
（ｄ）白抜きの正方形−電気力学的平衡部リングにそれぞれ直流１８０Ｖ及び２００Ｖをかけたテスト機器７６の場合。
【００８１】
（ｅ）黒塗りの正方形−電気力学的平衡部リングにそれぞれ直流２８０Ｖ及び３００Ｖをかけたテスト機器７６の場合。
（ｆ）黒塗りの丸−電気力学的平衡部リングにそれぞれ直流２８０Ｖ及び３００Ｖをかけ、円形電極群に直流２８０Ｖのバイアスをかけたテスト機器７８の場合。
【００８２】
実施例２〜６
実施例２乃至６は、サンプルをＭＡＬＤＩプレート９０上に被着させ、後続の質量分析にかけるための液滴生成器３２及び浮揚装置３０の使用に関するものである。
【００８３】
下記を各実施例２乃至６に適用した。
（ａ）図１０の機器８８とほぼ同じ機器を使用して、液滴を生成し、その上に実効電荷を誘導し、電気力学的平衡部内でその液滴を浮揚させ、ＭＡＬＤＩプレート上にその液滴を被着させた。１つの例では、マトリックスをあらかじめ塗布したＭＡＬＤＩプレート上に液滴を被着させ、別の例では、マトリックスを直接出発溶液に加え、プレートにはあらかじめマトリックスを塗布しなかった。
（ｂ）液滴の被着後、ＭＡＬＤＩプレートを電気力学的平衡部チャンバから取り外し、パースペクティブ・バイオシステムズ社製のボイジャー−ディーイー（Voyager-DE）ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳを使用して分析した。
【００８４】
（ｃ）使用した検体はケノデオキシコール酸ジアセトメチルエステル及びロイシンエンケファリンであり、マトリックスはＨＣＣＡ（α−シアノ−４−ヒドロキシ桂皮酸）であった。塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム、メタノール及びグリセロールも出発溶液に加えた。
（ｄ）ＭＡＬＤＩプレートにあらかじめマトリックスを塗布する場合には、以下のように行った。０．０９０Ｍのα−シアノ−４−ヒドロキシ桂皮酸のメタノール／アセトン（６０：４０、ｖ／ｖ）溶液を調製した。マイクロピペットを使用して、この溶液１０ｍｌを、サンプル・ウエルのないステンレス鋼製のＭＡＬＤＩプレート上に供給した。この濡れた表面を実験室の空気に十分にさらして、ＭＡＬＤＩプレート面上で（約３．１ｃｍ2の）マトリックスの被覆を形成した。
【００８５】
（ｅ）オン・デマンド液滴生成器（米国ニューヨーク州ブルックリン所在のユニ−フォトン・システムズ社製、モデル２０１）に、実施例１で述べたように構築した４０ｍｍ径のノズルを取り付けた。ノズル先端部の５ｍｍ上に配置した誘導電極にプラスの直流電位をかけて、マイナスの実効電荷を各液滴上に与えた。液滴生成器及びＭＡＬＤＩプレートをそれぞれ、電気力学的平衡部の下と上に配置した。このアセンブリを、プレキシガラス・チャンバ（１２インチ×８インチ×１０インチ（３０ｃｍ×２０ｃｍ×２５ｃｍ）内部に収納して、電気力学的平衡部からの液滴の対流損失を最小限に抑えた。
【００８６】
（ｆ）（０．９ｍｍ径の）銅線を２ｃｍ径のリングの形にし、分離距離を６ｍｍとして平行に取り付け、浮揚装置を構築した。この浮揚装置の浮揚リング電極両端間には、直接直流電位を印加しなかった。浮揚装置内で液滴の垂直位置を、誘導電極及びＭＡＬＤＩプレートに印加した直流電位によって操作した。リング電極に印加した（６０Ｈｚの）交流電位の大きさは、（同位相で）１，０００〜２，７００Ｖ0-pの範囲の値であった。浮揚装置内の液滴を、４ｍＷの緑色ＨｅＮｅレーザにより前方散乱によって照明した。
【００８７】
実施例２
図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃは、電気力学的平衡部３０内での荷電液滴の浮揚と、電気力学的平衡部３０内からの単一の液滴の放出を順に示した写真（倍率５×）である。これらの写真は、単一の顕微鏡対物レンズを通して焦点を合わせたデジタル・カメラで撮影した。浮揚液滴の動きは、電気力学的平衡部のリング電極に印加した交流波形と同じ周波数の６０Ｈｚであった。液滴の軌跡の振動周波数は、カメラのシャッタ・スピードよりも速く、したがって、電気力学的平衡部内で浮揚させた液滴は、図１２Ａ〜１２Ｃで線として現れた。
【００８８】
図１２Ａから１２Ｃの順に、誘導電極に印加した直流電位（＋１２５Ｖ）及び交流捕捉電位（１１５０Ｖ0-p）を一定に保持したながら、ＭＡＬＤＩプレートに印加した直流電位を＋１５０Ｖ〜＋３００Ｖに増加させた。図１２Ａは、ＭＡＬＤＩプレートに＋１５０Ｖの直流電位を印加した場合、図１２Ｂは、ＭＡＬＤＩプレートに＋２２５Ｖの直流電位を印加した場合、図１２Ｃは、ＭＡＬＤＩプレートに＋３００Ｖの直流電位を印加した場合を表す。マイナスに帯電した液滴は、ＭＡＬＤＩプレートに向かってますます引きつけられた。このことは、電気力学的平衡部３０の中点の下（図１２Ａ）から、電気力学的平衡部の中点の上のますます高い位置（図１２Ｂ及び１２Ｃ）に、液滴の浮揚の中心位置が移動したことよって証明される。電気力学的平衡部３０の浮揚リング電極４８、５０は、図１２Ａ〜１２Ｃで見ることが可能である。
【００８９】
図１２Ｂに、ｒ＝０でのｚ軸に平行な軌跡をとる単一の液滴９４を示す。この液滴９４は、すべての浮揚液滴のうち一番大きな最大垂直変位を得ている。さらに、ＭＡＬＤＩプレート９０にかける直流電位を増加させると、この液滴９４は、電気力学的平衡部３０の上部浮揚リング電極４８よりかなり上の最大垂直位置に達した（図１２Ｃ）。最大の移動振幅をもつこの液滴９４は、電気力学的平衡部３０内の液滴のうちで質量対電荷比が最大であった。（液滴の生成中、液滴生成器３２のパラメータは変えなかったが、生成された各液滴の初期サイズ及び実効電荷には若干のばらつきがあり、その結果、電気力学的平衡部３０内に蓄えられた、得られた液滴の質量対電荷比がある範囲に収まった。）さらに、ＭＡＬＤＩプレートに印加する直流電位を増加させると、ｒ＝０でのｚ軸に沿いに変位するこの液滴９４は、電気力学的平衡部３０の捕捉場から抜け出し、ＭＡＬＤＩプレート９０上に衝突した。この液滴９４の被着により、電気力学的平衡部３０内で液滴９４により他の液滴上に誘導された空間電荷が取り除かれ、それによって、電気力学的平衡部３０内で質量対電荷比が２番目に大きい液滴９６の位置が緩和し、次いで、電気力学的平衡部３０内の中心位置を占めることが可能となった。次いで、ＭＡＬＤＩプレート９０に印加する直流電位をさらに増加し、電気力学的平衡部３０から各液滴を１度に１個ずつ取り除き、ｒ＝０でのｚ軸に沿いに被着させることが可能であった。
【００９０】
実施例３
図１３Ａ及び１３Ｂに、ＭＡＬＤＩプレート９０上に粒子を被着させるための異なる手法の結果を示す。図１３Ａ及び１３Ｂの写真は、顕微鏡を通してデジタル・カメラの焦点を合わせて撮影した。図１３Ａの倍率は２０×であり、図１３Ｂの倍率は２５×である。図１３Ａ及び１３Ｂに見られる数字「４５」は、製造者がＭＡＬＤＩプレートにエッチングしたものである。
【００９１】
図１３Ａは、マトリックス１００内であらかじめ塗布したＭＡＬＤＩプレート９０に、電気力学的平衡部３０から放出された７個の液滴１０２（丸印で示す）を同時に（あるいはほぼ同時に）被着させた後のプレートの写真である。粒子の同時放出は、単一の大きな電位パルスの印加によって生じたものである。図１３Ａの場合、ＭＡＬＤＩプレート９０に印加した単一のパルスは＋８５０Ｖであった。これにより、電気力学的平衡部３０からの液滴１０２の移動がほぼ瞬間的に生じた。その際、直流電位パルスの印加の瞬間に、各液滴１０２上の空間電荷の結果として、浮揚液滴の相対位置がＭＡＬＤＩプレート９０上に「プリント」された。たとえば、７個の液滴１０２が被着された結果、同時に、約１．８×１０-2ｃｍ2の面積全体に、液滴が１００ｍｍを超える最小分離間隔で詰め込まれた。
【００９２】
対照的に、実施例２で述べた方法に従って、ｒ＝０でのｚ軸に沿い、電気力学的平衡部３０から１度に１個の液滴を取り除いた結果を図１３Ｂに示す。この例では、ＭＡＬＤＩプレート９０にかける直流電位を比較的高い電位へとゆっくりと増加させ、電気力学的平衡部３０から２０個の液滴をＭＡＬＤＩプレート上の３．１×１０-4ｃｍ2未満のサイズのスポット１０４（丸印で示す）上に被着させることが可能であった。
【００９３】
図１３Ｂのデータは、電気力学的平衡部内で浮揚させた複数の液滴の、固有空間電荷により誘導された軌跡が、単一スポット上への液滴の順次被着と干渉しなかったことを示す。したがって、本発明の被着技術により、高感度ＭＡＬＤＩの利用に必要とされる小さいサンプル・スポット・サイズが得られる。ＭＡＬＤＩプレート上の所定の小さい場所の上に精確にサンプルを被着し得ると有利である。というのは、レーザでサンプル・スポットが見つからないという心配なしに、より信頼性が高く効率的なＭＡＬＤＩ質量分析を行うことが可能だからである。
【００９４】
図１３Ｃは、一連の液滴１２０を電気力学的平衡部３０からマトリックス１００をあらかじめ塗布したＭＡＬＤＩプレート９０上に被着させて水平線を形成した様子を示す拡大写真である。この写真は、本発明の方法を使用して、たとえば、被着粒子の所望のアレイを調製することが可能であることを示している。このような場合、このサンプル調製方法を、分離技術と結びつけることが可能である。図１３Ｃでは、数字「５」は、製造時にＭＡＬＤＩプレートにエッチングされたものである。
【００９５】
基板上の粒子アレイ、たとえば図１３Ｃに示すＭＡＬＤＩプレート９０上の水平線アレイは、たとえば、並進ステージ（図示せず）上にＭＡＬＤＩプレート９０を取り付けることによって得ることが可能である。浮揚粒子（あるいは、本発明を分離技術の目的で利用する場合には副粒子群）が放出される合間に、並進ステージを電気力学的平衡部３０に対して相対的に移動させ、浮揚粒子をＭＡＬＤＩプレート９０上にアレイの形で被着させることが可能である。
【００９６】
実施例４
図１４に、マトリックス１００をあらかじめ塗布したＭＡＬＤＩプレート９０上に単一の液滴を被着させた単一のレーザ・スポットから集めた６つの連続したマス・スペクトル（Ａ〜Ｆと標示）を示す。液滴は、１．０×１０-3Ｍのエステルを含む出発溶液すなわち、約４８ｍｍの初期半径を有する液滴内の４６０ｆｍｏｌから生成した。出発溶液中の水酸化ナトリウムの濃度は、２×１０-3Ｍであった。調製後ただちに出発溶液を使用し、その中には検出可能な加水分解生成物は存在しなかった。
【００９７】
液滴は、電気力学的平衡部内で９時間５０分間浮揚させた。信号強度比に基づいて、被着液滴の組成は、約３００ｆｍｏｌのエステル及び約１６０ｆｍｏｌのその加水分解生成物［ＲＯＨ＋Ｎａ+］であり、そのどちらもナトリウム付加物としてスペクトル中に検出された。
【００９８】
図１４のスペクトルＡ〜Ｆは、液滴の被着位置における連続した（一定に設定した）レーザ照射の平均スペクトルであり、それらを以下に示す。
【００９９】
スペクトル    レーザ照射回数の平均スペクトル
Ａ            １〜２５６
Ｂ            ２５７〜５１２
Ｃ            ５１３〜７６８
Ｄ            ７８９〜１０２４
Ｅ            １０２５〜１２８０
Ｆ            １２８１〜１５３６
【０１００】
各液滴の分析は、窒素レーザ・スポットを心合わせし、それを液滴の被着部位の上に単一位置に固定して保持することによって行った。マス・スペクトルは、２５マイクロ秒の遅延取得時間で集めたものである。
【０１０１】
スペクトルＡでは、エステルのナトリウム付加物に対する信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）及び信号対バックグラウンド比（Ｓ／Ｂ）はそれぞれ、１００及び７０であった。それに対比して、スペクトルＦでは、これらの値はそれぞれ、５９０及び６４０に改善した。エステルのナトリウム付加物のピークを、スペクトルＦ中に［ＣＨ3ＣＯＯＲ＋Ｎａ+］として示す。レーザ・ショット番号３５８０〜３８３６（データは示さず）の平均したスペクトル中で、Ｓ／Ｎ及びＳ／Ｂがそれぞれ１，８００及び２，７００にさらに増加した。
【０１０２】
図１４のスペクトルＡ〜Ｆは、本発明の被着方法が、マトリックス・クラスタ・イオンを抑制し、分析のための「形がよりきれいな」スペクトルを与えるのに役立つことを示す。
【０１０３】
マトリックスに起因する２種類のバックグラウンド・イオンが、図１５のスペクトル中に存在する。１つのクラス（「タイプＩ」）は、完全な状態の分子と、１つ（または複数）の陽イオンとともにクラスタ化したマトリックスのフラグメントとの組合せからなるものであった。第２のクラス（「タイプＩＩ」）は、１つ（または複数）の陽イオンの周りにクラスタ化した完全な状態のマトリックス分子（ただし、マトリックス分子の番号ｎ＝１，２，３，．．．）からなるものであった。
【０１０４】
図１４のスペクトルＡは、最初の２５６回のレーザ・ショットからのものであり、被着液滴のサイズがレーザ・スポット・サイズよりも小さかったため、タイプＩ及びタイプＩＩの一部に属する多くのバックグラウンド・イオンが、強い相対信号強度のところに存在している。ピーク１０６は、タイプＩのバックグラウンド・イオンを表す。
【０１０５】
スペクトルＡと比べて、スペクトルＢは、タイプＩのバックグラウンド・イオンの量の減少と、タイプＩＩのバックグラウンド・イオンの量の増加とを示す。これは、レーザ・スポット内で液滴を取り囲む遊離したマトリックスの（切除による）除去により生じたものである。ピーク１０８は、タイプＩＩのバックグラウンド・イオンを表す。
【０１０６】
１２８０回のレーザ・ショット（すなわち、図１４のスペクトルＥ）の後、ナトリウムで陽イオン化したエステル及びその加水分解生成物は高い信号強度を保ったままで、タイプＩ及びタイプＩＩのバックグラウンド・イオンの信号強度が激減した。スペクトルＦでは、バックグラウンド・マトリックス・イオンの信号強度はほぼなくなり、高い信号強度のところに検体イオンのピークのみを伴う非常にきれいなスペクトルが残った。
【０１０７】
液滴中にグリセロールが存在すると、レーザ・ショット数の増加によるＳ／Ｎ及びＳ／Ｂの増加の助けとなる。１つにはグリセロールの液滴中でマトリックス溶液が生じたことが理由で、マトリックス・イオンの生成が最終的に抑圧された。これにより、液滴の最上層上でマトリックス分子間の分離が増加し、したがって、結晶マトリックス表面とは異なり、液体マトリックスからイオンが生成されることになる。これにより、マトリックス・クラスタ・イオンの生成の傾向が減少する。グリセロールの存在の別の利点は、各レーザ照射の後に、検体が表面まで拡散することが可能になり、後続のレーザ照射のたびに、より均質な材料の層が形成されることである。
【０１０８】
実施例５
図１５に、あらかじめ塗布されたＭＡＬＤＩプレート９０上に、互いに重ねて被着させた８個の液滴に向けてレーザを１０２４回照射した後のＭＡＬＤＩプレート９０の写真を示す。この写真は、顕微鏡を通してデジタル・カメラの焦点を合わせて得られた。主要な写真である１１０は２０×に拡大してあり、図の右側の挿入写真１１２は１２５×に拡大してある。この場合も、写真１１０に見えている数字「６５」は、製造者がＭＡＬＤＩプレート９０にエッチングした数字である。
【０１０９】
図１５に、レーザを当てた小さな暗い領域１１４を示す。周囲のより明るい区域は、マトリックス１００の残りの薄い被覆である。図１５の右側の挿入写真１１２に、より拡大したレーザ・スポット１１４を示す。被着液滴の残留物が、暗い領域１１４内に配置された単一の液滴１１６を形成したように見える。レーザ・スポット・サイズは、暗い領域１１４によって規定される。というのは、それが、マトリックス１００が切除された後に残された清浄なステンレス鋼製のＭＡＬＤＩプレート９０だからである。マトリックス１００上に被着させたグリセロールの液滴は、その周りの遊離したマトリックス１００が除去される間、グリセロールの液滴の下にあるマトリックスの切除を妨げていた。図１４の液滴１１６の下に残ったマトリックス１００の存在は、ＭＡＬＤＩプレート上にあらかじめ塗布したマトリックスの基礎層なしでは、液滴から完全な状態のイオンを生成できないことによって確認された。
【０１１０】
分析の前、被着液滴は、グリセロールと出発溶液中にあった不揮発性の溶質からなるものであった。大気圧かつ室温で、グリセロールの液滴は何時間も存在していたが、質量分析装置の真空チャンバ内に入れた後、そのグリセロールは比較的短時間で排気された。真空チャンバ内にプレートを挿入した後すぐにレーザを照射したので、プレート上に残っていたグリセロールは、レーザ照射の合間に液滴内で溶質を流動化する助けとなり、各レーザ・ショット間で信号の再現性を向上させた。あるいは、グリセロールが排気された後まで、レーザ照射を遅らせることも可能である。このような場合、出発溶液中に存在した不揮発性の溶質の薄い濃縮された層が残る。
【０１１１】
図１５に示す液滴の「島」１１６に１０２４回を超えるレーザ・ショットを当てることにより、質量対電荷比が低い領域でマトリックス・クラスタのピークを著しく欠くマス・スペクトル（図示せず）が得られることがわかった。
【０１１２】
実施例６
２組のサンプルを調製して、ＭＡＬＤＩプレート９０上に被着させた。最初の例では、あらかじめマトリックス１００を塗布したＭＡＬＤＩプレート９０上にサンプルを被着させ、第２の例では、直接出発溶液にマトリックスを加え、プレート９０にはあらかじめマトリックス１００を塗布しなかった。
【０１１３】
最初の例では、９２：８体積％のメタノール：グリセロール中、２×１０-4Ｍのエステル、２×１０-6Ｍのロイシンエンケファリン、及び２×１０-5Ｍの塩化ナトリウムからなる出発溶液を作成した。エステルは、被着液滴にレーザが確実に向けられるように、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳの間、内部チェックとして働いた。６個の液滴を互いに重ねて被着させて、あらかじめ乾燥させた結晶マトリックス層上に単一の液滴を形成した。各液滴は、約９３ｆｍｏｌのエステル及び約０．９３０ｆｍｏｌのロイシンエンケファリンを含んでいた。図１６Ａに、これら６個の液滴から集めたマス・スペクトルを示す。エステル及びロイシンエンケファリンはともに、ナトリウム・イオンで陽イオン化され、それらのＳ／Ｎはそれぞれ、２３０及び８３であった。１０８と標示したピークは、バックグラウンド・マトリックス・クラスタ・イオンからのものである。
【０１１４】
第２の例では、それぞれ約５ｆｍｏｌのエステルを含む６個の液滴を、９．０×１０-5Ｍのマトリックスと、９７：３体積％のメタノール：グリセロールとを含む出発溶液から形成した。これらの液滴を、新たに清浄にしたステンレス鋼製のＭＡＬＤＩプレート９０上に、互いに重ねて被着させる前に、数分間浮揚させた。図１６Ｂは、これらの６個の被着液滴で形成された残留物から集めたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳスペクトルである。タイプＩ及びタイプＩＩのマトリックス・イオンは、最初の２５６回のレーザ・ショットから得たスペクトル中では観察されなかった。４５０ｍ／ｚより下のところにある大きい信号強度は、感度を向上させるために低いマス・ゲートを使用した結果である。液滴をプレート９０上に被着させる前に、ＭＡＬＤＩプレート９０をアセトンで洗浄したため、アセトン・クラスタ・イオンが生じた。図１６Ｃは、マス・ゲートがない場合の図１６Ｂの完全なマス・スペクトルである。図１６Ｃには、単一の完全な状態のマトリックス分子（タイプＩＩ、ただしｎ＝１）の小さい強度が示されているが、タイプＩまたはｎ＞１のときのタイプＩＩのバックグラウンド・マトリックス・イオンは示されていない。図１６Ｃ中最も強度が大きい信号は、アセトンのナトリウム付加物によるものである。この場合も、そのピークは、プレートをアセトンで洗浄したために生じたものである。単に、脱イオン化水で洗浄し空気乾燥することによって、このピークならびに［ＣＨ3ＣＯＯＲ＋Ｎａ+＋ＣＨ3ＣＯＣＨ3］のピークを容易に除去することが可能である。
【０１１５】
各液滴の分析は、窒素レーザ・スポットを心合わせし、それを液滴の被着部位の上に単一位置に固定して保持することによって行った。マス・スペクトルは、２５マイクロ秒の遅延取得時間で集めたものである。
【０１１６】
図１６Ａ〜１６Ｃのスペクトルは、２つ以上のマトリックス分子をもつバックグラウンド・マトリックス・クラスタ・イオンの形成が、主に結晶化したマトリックス分子の領域から生じることを示唆する。このようなイオンの信号強度は、グリセロール及びマトリックスを出発溶液に加えることによって激減し、そのため、被着液滴中では、マトリックスの結晶化の可能性は少なかった。このことは、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳによる小さい分子の検出に有利である。というのは、そうでない場合にはスペクトルのバックグラウンドを占めるマトリックス・クラスタ・イオンの多くが除去されるか、化学的干渉が引き起こされるからである。
【０１１７】
上述した被着方法は、ＭＡＬＤＩの再現性を大きく向上させる。というのは、固体結晶マトリックス層に比べてマトリックス溶液は、経時的により再現性のよい信号をもたらすことが、リング、エス（Ｒｉｎｇ，Ｓ）とルディック、ワイ（Ｒｕｄｉｃｈ，Ｙ）のＲａｐｉｄ  Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ．２０００年，第１４巻，５１５〜５１９ページに示されているからである。
【０１１８】
この例のマトリックスを含む液滴の場合、形成されたグリセロール／ＨＣＣＡマトリックス溶液は、それから脱離すべきはるかに均一なマトリックスを提供する。たとえば、Ｓ／Ｎが１０未満に減少する前に、図１６Ｂの６個の液滴の残留物に１０８７回のレーザ・ショットを照射した。６個の液滴の集合体中の少量の材料から多数のマス・スキャンが集まったのは、微小スポット内に存在する流体マトリックスの結果であった。本発明に従って調製した液体微小スポットを分析することによって、ＭＡＬＤＩ用の感応性が高く安定なイオン源が実現される。さらに、本発明の方法により、より低い絶対検出限界と向上した定量性が得られる。
【０１１９】
さらに、ＭＡＬＤＩ質量分析において、電気力学的平衡部を使用しサンプルを被着すると、ピコリットルの体積のキャピラリ中でサンプルを扱うことによって生じる表面張力の問題に対する解決策が得られる。この解決策は、キャピラリの表面張力の制限を受けない「壁なし」のサンプルの調製手順を提供する。
【０１２０】
当業者には明白なように、上記の開示に照らして、本発明の範囲から逸脱せずに、その実施に際して多くの変更及び改変が可能である。
たとえば、電気力学的平衡部３０内における粒子の浮揚は、本発明の実施例のテスト機器６８、７６、７８、８８中では大気圧で実施された。しかし、本発明は、大気圧以外の圧力（たとえば、低圧または高圧）でも利用し得ることが理解されよう。
【０１２１】
同様に、本明細書では、機器６８、７６、７８、８１を、それが垂直に向けられ、質量分析装置６５の下に配置されたものとして示した。垂直に向けるのは本発明には必ずしも必要でなく、いかなる向き（たとえば水平など）でも利用し得ることが当業者には理解されよう。
【０１２２】
同様に、図３乃至７に具体的に示した以外の電極アセンブリを使用して、子液滴／イオンを標的位置に送達することも本発明の範囲に含まれる。たとえば、図６及び７に示す４重極構成の電極８３の代わりに、８つの電極からなる８重極構成を使用することも可能ある。
【０１２３】
同様に、非電気力学的浮揚手段を使用して１つ（または複数）の粒子を浮揚させることも本発明の発明性のある範囲内である。例として、生成された粒子に流れを向けるようにレーザを配置し、それによって中性粒子の両端に双極子を誘導することが可能である。レーザで誘導された双極子は、レーザの流れの中で粒子を捕捉し、それによって、その粒子を浮揚させ、レーザの流れの中で捕捉された粒子が標的位置（たとえば、質量分析装置のオリフィス、ＭＡＬＤＩプレートなど）に送達されるまで、徐々にレーザの流れの焦点位置を調節することによって、最終的にその粒子は標的位置に送達される。誘導電極は含まれず、すなわち、本発明のこの実施形態で生成された粒子は、その上に誘導された実効電荷を持たないことになる。
【０１２４】
本明細書で開示した本発明を、他の任意の定量的な化学的分析技術、たとえば蛍光分光法またはラマン分光法用に容易に改変可能なことが当業者には理解されよう。
【０１２５】
本発明は、比較的大きい粒子からそれを構成する副粒子群を分離するのに利用することができる。その理由は、浮揚装置３０内で、ある期間粒子を浮揚させることにより、その粒子が平衡状態に到達し得るからである。この平衡状態では、構成副粒子群が様々な層（たとえば、水の表面層、吸着された生体分子の層、及び固体または液体のコアを含む）の中に入って落ち着くことが可能で、次いで、順次浮揚粒子から分離して、他の構成副粒子群とは独立して分析にかけることが可能である。本発明のこのような実施形態では、浮揚粒子にパルス・レーザビームを当てて、これらの層を分離させることが可能である。あるいは、これらの層を、（上述したように）個別粒子上に実効電荷を誘導した後にクーロン分裂によって分離することも可能であり、また脱離によって分離することも可能である。本明細書で説明したように、それら様々な層及びコアを、ＭＡＬＤＩプレート上に順次被着させ、次いで、ＭＡＬＤＩ質量分析にかけることが可能である。
【０１２６】
有利には、浮揚液滴にガス流を当てて、液滴中の溶媒の蒸発速度を制御する（すなわち、速めあるいは遅らせる）ことが可能である。たとえば、前述したように、液滴の構成副粒子群を分離する前に、長期間かけて液滴を平衡状態にもっていこうとするとき、液滴の蒸発を長引かせると有利である。
【０１２７】
本発明の別の可能な用途は、「壁なし」化学反応槽としての利用である。このような応用例では、前述したように、反応物（たとえば、液滴または粒子）を生成し、電気力学的平衡部内で浮揚させることが可能である。ただし、質量分析にかけるために放出する代わりに、次いで、浮揚液滴／粒子を電気力学的平衡部内で（電極の電位を変えることによって）空間的に操作して、合体させることが可能である。この技術の利点は、（従来型反応槽内で同じ反応を行うことに比べて）表面積対体積比が大きくなることである。本発明をこのように適合させると、医用診断目的など多くの応用が生じる。この戦略の変形形態は、浮揚させた細胞または細胞の小集団にマトリックスを被覆することであろう。細胞表面に被覆するこの方法は、細胞表面上に存在する分子の検出を可能にする。細胞を浮揚させると、その細胞を様々なストレス、たとえば、気相化学試薬、２個の液滴の合体物、溶液相の試薬の導入にかけることが可能となる。後者の用途は、消化酵素を細胞表面にもってゆき、細胞から突き出ている膜タンパク質からペプチドのフラグメントを生成するのに使用することが可能である。
【０１２８】
さらに、この手法を使用して、ＭＡＬＤＩプレート上に被着させる前に、液滴にマトリックスを加えることが可能である。このような応用例では、検体を含む液滴とマトリックスを含む液滴を、ともに液滴生成器３２で独立に生成させ、ＭＡＬＤＩプレート上に被着させる前に浮揚させながら、空間的に操作し、浮揚装置３０内で単一の液滴に合体させることが可能である。
【０１２９】
さらに、粒子をＭＡＬＤＩプレート９０上に被着させた後に、その粒子にマトリックスを付着させることが可能である。このような応用例では、前述したように、その粒子をＭＡＬＤＩプレート上に被着させる。次いで、マトリックスを含む別の粒子を、液滴生成器３２（または別の粒子生成器）で独立に生成し、前述したように浮揚させる。次いで、マトリックスを含むこの浮揚粒子を、（検体を含む）被着粒子上に被着させ、それによってＭＡＬＤＩプレート上の最初の液滴に被覆する。
【０１３０】
本発明は、被着粒子を、基板に塗布されたテスト材料にあてるのに利用することが可能である。たとえば、生物学的、化学的または物理学的な由来をもつ材料をプレートに塗布し、次いで、粒子をそのテスト材料に送達して、その反応の分析を続けて行うことが可能である。本発明の装置及び方法を用いてこの粒子をウエル内に被着させる前に、このテスト材料をウエルに塗布することによって、ＭＡＬＤＩプレートの凹部ウエル内でこのような反応を起こすことが可能である。本発明のこの応用例は、薬物の有効性試験その他の同様な目的に利用するのに有利である可能性がある。
【０１３１】
さらに、本発明は、形成時に直径が約１００〜１０００ｎｍの子液滴を重合させるのに利用することが可能である。注意深くすれば、表面が重合して液滴の内容物を封じ込める前に、これらの子液滴をより小さい直径に脱溶媒させることが可能である。この手順は、中空にも中実にも設計可能な丸いナノメートル・サイズの材料を調製するのに使用することが可能である。
【０１３２】
同一機器内で複数の液滴生成器を使用することも、本発明の範囲内である。このような構成は、電気力学的平衡部３０内にある間に、「壁なし」化学反応用に２個の反応物粒子を生成しようとする場合、あるいは、上述したように、マトリックス液滴を、検体を含む液滴と合体させようとする場合に利用することが可能である。同様に、横並びに構成された複数の電気力学的平衡部３０を使用し、複数の平衡部を液滴生成器３２に対して整列させた位置に順次移動可能にすることも可能である。
したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義される本質にしたがって解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術のエレクトロスプレー・イオン化の構成を示す概略図。
【図２】  本発明の機器の例を示す概略図。
【図３】  図２の機器の代替実施形態を示す概略図。
【図４】  図２の機器の別の代替実施形態を示す概略図。
【図５】  図２の機器の別の代替実施形態を示す概略図。
【図６】  図２の機器の別の代替実施形態を示す概略図。
【図７】  図６の線７−７に沿った断面図。
【図８】  図２乃至６に示す機器の浮揚装置を示す図。
【図９】  図５の機器の浮揚リング電極及びその上に配置された案内リング電極を示す図。
【図１０】  浮揚装置の上に配置されたＭＡＬＤＩプレートを伴う本発明の機器の例を示す斜視図。
【図１１】  実施例１でテストした機器の１０秒にわたる積分のイオン・カウントをプロットしたグラフ。
【図１２Ａ】  浮揚装置内での荷電液滴の浮揚と、浮揚装置からの単一の液滴の放出を順に示す拡大写真。
【図１２Ｂ】  浮揚装置内での荷電液滴の浮揚と、浮揚装置からの単一の液滴の放出を順に示す拡大写真。
【図１２Ｃ】  浮揚装置内での荷電液滴の浮揚と、浮揚装置からの単一の液滴の放出を順に示す拡大写真。
【図１３Ａ】  マトリックス内であらかじめ塗布されたＭＡＬＤＩプレートに、浮揚装置から放出された７個の液滴を同時に（あるいはほぼ同時に）被着させた後のＭＡＬＤＩプレートの拡大写真。
【図１３Ｂ】  マトリックス内であらかじめ塗布されたＭＡＬＤＩプレートに、浮揚装置から順次放出された２０個の液滴を被着させた後のＭＡＬＤＩプレートの拡大写真。
【図１３Ｃ】  ＭＡＬＤＩプレート上に線形アレイの形で被着させた液滴の写真。
【図１４】  ＭＡＬＤＩプレート上に被着させた単一の液滴に当てた単一のレーザ・スポットから集めた６本の連続したマス・スペクトル（Ａ〜Ｆと標示）を示す図。
【図１５】  ＭＡＬＤＩプレート上に互いに重ねて被着させた８個の液滴に向けてレーザを１０２４回照射した後のＭＡＬＤＩプレートの拡大写真。
【図１６Ａ】  実施例６のパラメータにしたがって、あらかじめマトリックスを塗布したＭＡＬＤＩプレート上に被着させた６個の液滴のマス・スペクトルを示す図。
【図１６Ｂ】  実施例６のパラメータにしたがって、新しいＭＡＬＤＩプレート上に被着させた、マトリックスを含む６個の液滴のマス・スペクトルを示す図。
【図１６Ｃ】  マス・ゲートがない場合の図１６Ｂの完全なマス・スペクトルを示す図。
【図１７】  図３乃至６の機器の液滴生成器のノズルの断面図。
【図１】
0004527353.tif 000002
【図２】
0004527353.tif 000003
【図３】
0004527353.tif 000004
【図４】
0004527353.tif 000005
【図５】
0004527353.tif 000006
【図６】
0004527353.tif 000007
【図７】
0004527353.tif 000008
【図８】
0004527353.tif 000009
【図９】
0004527353.tif 000010
【図１０】
0004527353.tif 000011
【図１１】
0004527353.tif 000012
【図１２Ａ】
0004527353.tif 000013
【図１２Ｂ】
0004527353.tif 000014
【図１２Ｃ】
0004527353.tif 000015
【図１３Ａ】
0004527353.tif 000016
【図１３Ｂ】
0004527353.tif 000017
【図１３Ｃ】
0004527353.tif 000018
【図１４】
0004527353.tif 000019
【図１５】
0004527353.tif 000020
【図１６Ａ】
0004527353.tif 000021
【図１６Ｂ】
0004527353.tif 000022
【図１６Ｃ】
0004527353.tif 000023
【図１７】
0004527353.tif 000024