(57)【要約】【課題】分析目的に応じて繰り返し質量分析の回数を減らして作業効率を高めるとともに検出感度も高め、必要な場合には高い空間分解能での詳細な２次元物質分布測定も可能とする。【解決手段】試料１５を載せた試料プレート１４を載置する試料ステージ１３をｚ軸方向に移動させる駆動機構１３ｂを設け、照射径制御部３１の制御の下に試料ステージ１３を移動させてレーザ集光光学系２２と試料１５との間の距離を変化させることにより、試料１５上でのレーザ照射径を変化させる。例えば、試料１５中に局在するもののその位置が不明である目的物質の分布を調べたい場合に、まず大きなレーザ照射径で以て大きな走査ステップ幅で試料１５全域をほぼ漏れなく走査し、目的物質が存在する位置をおおよそ見い出す。その後、レーザ照射径を縮小して、目的物質が存在すると推定される付近のみを小さなステップ幅で漏れなく走査して詳細な物質分布を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)試料に含まれる成分をイオン化するために該試料にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
b)前記レーザ照射手段による前記試料上のレーザ照射位置を１次元的又は２次元的に走査するための走査手段と、
c)前記試料上のレーザ照射面積を変化させる照射範囲調整手段と、
d)前記レーザ照射により試料から発生したイオンを質量分離して検出する質量分析手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記照射範囲調整手段は、前記レーザ照射手段に対する前記試料の位置を変化させることで照射面積を変化させることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を収束する収束手段、と含み、前記照射範囲調整手段は、前記試料に対する前記収束手段の位置を変化させることで照射面積を変化させることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項４】
前記照射範囲調整手段はレーザ光の一部を遮蔽する遮蔽手段であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項５】
前記レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を収束する収束手段、と含み、前記照射範囲調整手段は、前記レーザ光源と前記収束手段との間の空間に介挿された、レーザ光の断面積を変化させる光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項６】
前記試料に照射されるレーザ光の強度を変化させる強度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項７】
前記走査手段は走査ステップを任意又は複数に設定可能であり、その走査ステップに応じてレーザ光の照射面積を変化させるべく前記照射範囲調整手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか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、レーザ光を試料に照射してイオン化を行うイオン源を備える質量分析装置、具体的には、レーザ脱離イオン化法（ＬＤＩ＝Laser Desorption /Ionization）やマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ＝Matrix Assisted Laser Desorption /Ionization）によるイオン源を備える質量分析装置に関し、さらに詳しくは、試料上の１次元又は２次元領域の質量分析を行うための質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ脱離イオン化法（ＬＤＩ）は、試料にレーザ光を照射し、レーザ光を吸収した物質の内部で電荷の移動を促進させてイオン化を行うものである。また、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）は、レーザ光を吸収しにくい試料やタンパク質などレーザ光で損傷を受けやすい試料を分析するために、レーザ光を吸収し易く且つイオン化し易い物質をマトリクスとして試料に予め混合しておき、これにレーザ光を照射することで試料をイオン化するものである。特にＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置は、分子量の大きな高分子化合物をあまり開裂させることなく分析することが可能であり、しかも微量分析にも好適であることから、近年、生命科学などの分野で広範に利用されている。なお、本明細書では、ＬＤＩやＭＡＬＤＩによるイオン源を備える質量分析装置を総称して、ＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳと記すこととする。
【０００３】
上記ＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳでは、照射レーザ光のスポット径を小さく絞り、その照射位置を試料上で相対的に移動させることにより、例えば試料上で或る質量数を持つイオンの強度分布（２次元物質分布）を表す画像を得ることができる。こうした装置は質量分析顕微鏡又は顕微質量分析装置として知られており、特に、生化学分野、医療分野等において、生体内細胞に含まれるタンパク質の分布情報を得るといった応用が期待されている（例えば非特許文献１、特許文献１など参照）。
【０００４】
上記のような様々な利用分野において試料についての有用な知見を得るには、空間分解能が高いことが望ましい。従来一般に市販されているＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳでは、レーザ光の集束径は数百μｍ程度であるが、例えば非特許文献２などにはレーザ光の集束径を数十μｍ程度まで絞って分析を行うことが記載されている。さらに、非特許文献３などにはレーザ光の集光径を約０．５μｍにまで絞り込み、数十μｍ程度の大きさの細胞内において物質分布像を取得した例もある。しかしながら、レーザ光の集光径を絞って空間分解能を高くした場合に、次のような問題がある。
【０００５】
例えば、試料中の或る領域にのみ目的物質が局在している場合、その目的物質が存在する領域のみの詳細な分布画像を取得したい。ところが、目的物質が局在している部位が不明である場合には、試料の全体に亘って順番に質量分析を行っていって目的物質が存在する位置を見い出さなければならない。空間分解能が高いと１回の質量分析で以て分析可能な範囲はかなり狭いため、目的物質が存在する位置に行き当たるまでに多数回の質量分析を繰り返す可能性が高い。そのため、目的の分布画像を取得するまでの所要時間がかなり長くなるおそれがある。こうした問題を回避するために、質量分析を行う位置の間隔（つまり位置走査のステップ幅）を大きくして試料全域を粗く分析し、その結果に基づいて目的物質が存在する領域を推測した後にステップ幅を小さくして注目領域の分析を行う、という方法も考えられる。しかしながら、この方法では、目的物質の局在範囲が狭い場合に最初の粗い分析において見逃しが生じるおそれがある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第5808300号公報
【非特許文献１】内藤康秀、「生体試料を対象にした質量顕微鏡」、 J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., Vol. 53, No. 3, 2005, pp. 125-132.
【非特許文献２】チャウランド（P. Chaurand）ほか３名、「プロファイリング・アンド・イメージング・プロテインズ・イン・ティッシュ・セクションズ・バイ・ＭＳ（Profiling and imaging proteins in tissue sections by MS）」、アナリティカル・ケミストリ（Analytical Chemistry）、2004, Vol.76, No.5, p.86A-93A
【非特許文献３】スペングラー（B. Spengler）ほか１名、「スキャンニング・マイクロプローブ・マトリクス−アシステッド・レーザ・デソープション・イオナイゼイション（ＳＭＡＬＤＩ）・マス・スペクトロメトリー：  インストゥルメンテイション・フォー・サブ−マイクロメータ・リソルブド・ＬＤＩ・アンド・ＭＡＬＤＩ・サーフェイス・アナリシス（Scanning Microprobe Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (SMALDI) Mass Spectrometry: Instrumentation for Sub-Micrometer Resolved LDI and MALDI Surface Analysis）」、ジャーナル・オブ・アメリカン・ソサイエティ・フォー・マス・スペクトロメトリ（Jounal of American Society for Mass Spectrometry）、2002, Vol.13, No.6, p.735-748
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように一般的には空間分解能は高いことが望ましいが、場合によっては空間分解能が高いことによって質量分析範囲が狭いことが不利になる場合もあり得る。本発明はこうした点に鑑みて成されたものであり、その主な目的とするところは、分析目的等に応じて、必要な場合に高い空間分解能を達成しながら分析に要する時間を短縮化して分析作業を効率良く行うことができる質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
a)試料に含まれる成分をイオン化するために該試料にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
b)前記レーザ照射手段による前記試料上のレーザ照射位置を１次元的又は２次元的に走査するための走査手段と、
c)前記試料上のレーザ照射面積を変化させる照射範囲調整手段と、
d)前記レーザ照射により試料から発生したイオンを質量分離して検出する質量分析手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
本発明の一実施態様として、前記照射範囲調整手段は、前記レーザ照射手段に対する前記試料の位置を変化させることで照射面積を変化させる構成とすることができる。
【００１０】
この構成において、照射範囲調整手段は、例えば試料を載置する又は保持する試料台をレーザ照射手段に近づける又は遠ざけるように移動させる手段である。一般にレーザ照射手段ではレーザ光は収束されるから完全な平行光線ではなく進行方向に向かって絞られる光であり、焦点よりも前方では光は広がる。したがって、レーザ照射手段に対する試料の離間距離を変化させることにより試料上でのレーザの照射面積は変化する。
【００１１】
いま焦点よりもレーザ照射手段に近い側における移動のみを考えると、試料がレーザ照射手段に近づくほど照射面積は大きくなり、空間分解能は相対的に低くなる。逆に、試料がレーザ照射手段から遠ざかるほど照射面積は小さくなり、空間分解能は相対的に高くなる。したがって、例えば試料中に局在する目的物質の位置を知りたいような場合や試料全体の概略的な物質の分布を調べたいような場合には、照射面積を大きくすれば、試料の全域に亘って２次元的な分析を実行しても分析の繰り返し回数を少なくすることができる。それにより、分析の所要時間を短縮することができる。そして、目的物質が局在している領域が判明した後には、レーザの照射面積を小さくして、即ち空間分解能を高くして、限定された領域を漏れなく走査して質量分析を実行すればよい。
【００１２】
またレーザの照射面積が大きいとその面積内に存在する分子の数も多く、発生するイオンの量が増加することによって質量スペクトルのＳ／Ｎ比が良くなり、目的物質の分子の存在密度が低くても高感度での検出が可能である。したがって、例えば試料に含まれる目的物質の同定を行いたい場合であってその物質の分布の精度はあまり重要でないような場合には、あえてレーザの照射面積を大きくして高い感度で以て質量スペクトルを取得し、目的物質の同定を行い易くするということも可能である。このように分析目的に応じて適切な方法を選択できる。
【００１３】
本発明の他の実施態様として、レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を収束する収束手段、と含み、照射範囲調整手段は、試料に対する上記収束手段の位置を変化させることで照射面積を変化させる構成としてもよい。
【００１４】
この構成によっても、収束手段により収束されるレーザ光束の焦点よりも収束手段に近い側では、収束手段を試料に近づけると照射面積は大きくなり、収束手段を試料から遠ざけると照射面積は小さくなる。したがって、上記実施態様と同様の作用を有する。
【００１５】
また、それ以外にも照射範囲調整手段として様々な形態が考え得る。即ち、照射範囲調整手段はレーザ光の一部を遮蔽する遮蔽手段、例えば光の遮蔽領域が可変であるアパーチャなどを用いることができる。また、レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を収束する収束手段、と含み、照射範囲調整手段は、レーザ光源と収束手段との間の空間に介挿された、レーザ光の断面積を変化させる光学素子、例えば収束倍率可変のレンズなどを用いることもできる。
【００１６】
なお、上述したようにレーザ光の一部を遮蔽することで照射面積を変化させる場合を除いては、試料上へのレーザの照射面積を変化させても試料上でのレーザ光パワーの総量は同一であるため、照射面積を絞ると単位面積当たりのレーザ光パワー（パワー密度）が大きくなる。例えばレーザの照射径が１／１０になれば、パワー密度は１００倍になる。一般に、ＬＤＩ／ＭＡＬＤＩによるイオン化では、イオン化の閾値で以てレーザ光強度の下限値が決まる。一方、レーザ光強度の上限値は、装置構成等に依存する様々な要素、例えば、試料への損傷の許容程度、過度なイオン量による質量分析器の性能劣化や検出器のレンジオーバーなどにより決まる。そのため、上述したようにレーザ光のパワー密度が大きくなり過ぎると上限値を超える可能性がある。
【００１７】
こうしたことを避けるために、本発明に係る質量分析装置では、前記試料に照射されるレーザ光の強度を変化させる強度調整手段をさらに備える構成とすることが好ましい。また、この強度調整手段はレーザの照射面積の大きさに連動して、つまりは照射範囲調整手段の動作に連動してレーザ強度を調節する構成としてもよい。
【００１８】
さらにまた、本発明に係る質量分析装置では、走査手段は走査ステップを任意又は複数に設定可能であり、その走査ステップに応じてレーザ光の照射面積を変化させるべく照射範囲調整手段を制御する制御手段を備える構成とするとよい。
【００１９】
具体的には制御手段は、走査ステップが大きいときに照射面積を大きくするように照射範囲調整手段を制御する。これにより、例えば試料全体又は所定範囲内の目的物質の分布を低い空間分解能でもよいから概略的に知りたいような場合に、走査ステップを大きく設定すればレーザ光の照射面積も大きくなり、試料全体又は所定範囲内をできるだけ漏れなく、高速且つ高感度で以て分析を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る質量分析装置によれば、一回の質量分析で観察可能な領域を大きくしたい場合にはレーザ光の照射面積を大きくし、高い質量分解能で以て観察を行いたい場合にはレーザ光の照射面積を小さくするというように、分析目的に応じて適宜に切り替えて試料上の１次元又は２次元的な物質分布画像を得ることができる。それにより、目的とする物質分布画像を得るための所要時間を従来よりも短縮することができ、分析作業を効率的に進めてスループットを向上させることができる。そして、詳細に観察したい部分については高い空間分解能で以て目的物質の分布画像を得ることができる。
【００２１】
また、空間分解能があまり重要でない場合に、レーザ照射面積を大きくして存在密度の低い物質も検出し易くすることにより、その検出結果に基づいた同定を行う際の同定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１実施例］
以下、本発明に係る質量分析装置の一実施例（第１実施例）であるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳについて図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１は本実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳの全体構成図である。図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ１０の内部には、試料ステージ１３、イオン輸送光学系１６、質量分析器１７、検出器１８等が配設され、真空チャンバ１０の外側には、レーザ照射部２０、レーザ集光光学系２２、ＣＣＤカメラ２３、観察用光学系２４などが配置されている。イオン輸送光学系１６は例えば、静電的な電磁レンズや多極型の高周波イオンガイド、或いはそれらの組み合わせなどが用いられる。質量分析器１７は例えば四重極型質量分析器や飛行時間型質量分析器、磁場セクター型質量分析器などが用いられる。
【００２４】
分析対象である試料１５が載せられた試料プレート１４は試料ステージ１３上に載置され、この試料ステージ１３は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸の二軸方向に高い位置精度で以て駆動するための第１駆動機構１３ａと、ｘ−ｙ平面に直交するｚ軸方向に高い位置精度で以て駆動するための第２駆動機構１３ｂとにより移動可能となっている。ｘ−ｙ軸駆動部３３は走査制御部３２及び照射径制御部３１の制御の下に、第１駆動機構１３ａに含まれるステッピングモータ等を駆動し、ｚ軸駆動部３４は照射径制御部３１の制御の下に第２駆動機構１３ｂに含まれるステッピングモータ等を駆動する。
【００２５】
レーザ照射部２０から出射されたイオン化用のレーザ光２１はレーザ集光光学系２２により絞られ、真空チャンバ１０の側面に設けられた照射用窓１１を通して試料１５に向けて照射される。試料ステージ１３がｚ軸方向に或る位置に在るときレーザ光照射位置は固定されているから、第１駆動機構１３ａにより試料ステージ１３がｘ−ｙ面内で移動されると、試料１５上でレーザ光２１が当たる位置、つまり試料１５上で質量分析の実行対象となる微小測定領域１５ａが移動する。これにより、試料１５上で質量分析が実行される位置の走査が行われる。
【００２６】
一方、ＣＣＤカメラ２３は真空チャンバ１０の側面に設けられた観察用窓１２及び観察用光学系２４を介して試料プレート１４上の所定の範囲を撮像し、ここで得られた画像信号は画像処理部３７に送られて２次元観察画像が構成される。中央制御部３０は本装置の全体的な動作の制御を司るものであり、具体的には、走査制御部３２及び照射径制御部３１を介してｘ−ｙ軸駆動部３３による移動量や移動方向を制御し、照射径制御部３１を介してｚ軸駆動部３４による移動量を制御する。さらに、照射制御部３５を介してレーザ照射部２０でのレーザ光２１の出射／停止やレーザ光強度などを制御する。また、図１では繁雑さを避けるために信号線の記載を省略しているが、中央制御部３０はイオン輸送光学系１６、質量分析器１７、検出器１８などの動作も制御する。
【００２７】
検出器１８による検出信号、つまりイオン強度信号は質量分析データ処理部３６に入力され、ここで適宜のデータ処理が実行されて、例えば後述するような２次元物質分布画像が作成される。また、中央制御部３０にはオペレータの操作により空間分解能や測定対象領域などの分析条件を設定するための操作部３８が接続され、さらに試料１５の２次元観察画像や２次元物質分布画像などを表示するための表示部３９も接続されている。
【００２８】
本実施例のＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳを用いた、質量数が既知である目的物質の２次元物質分布画像の取得のための基本的な動作は次の通りである。
まずオペレータは試料１５上のどの箇所を分析するのかを決める。そのために、ＣＣＤカメラ２３は真空チャンバ１０の側面に設けられた観察用窓１２及び観察用光学系２４を介して試料１５の２次元観察画像を取得し、表示部３９の画面上に表示させる。オペレータはその中で質量分析を行う範囲を決めて操作部３８により範囲の設定を行い、目的物質の質量数を設定した上で、分析開始を指示する。
【００２９】
分析が開始されると、レーザ照射部２０から出射したレーザ光２１がレーザ集光光学系２２で集光され、真空チャンバ１０の側面に設けられた照射用窓１１を通して試料１５上に照射される。レーザ光２１が照射されると、試料１５上の微小測定領域１５ａ付近に存在する各種物質がイオン化されて、主として試料１５表面に略直交する方向つまり真上にイオンが放出される。このイオンはイオン輸送光学系１６で収束されて質量分析器１７に導入され、質量分析器１７により目的物質の質量数を持つイオンのみが分離されて検出器１８に到達する。検出器１８は到達したイオンの個数に応じた電流を検出信号として出力する。データ処理部３６はこの検出信号を受け取って、試料１５上のレーザ照射位置（微小測定領域１５ａ）に対応する目的物質の相対強度を求める。
【００３０】
走査制御部３２は試料１５上に設定された分析範囲の中で、レーザ光２１が照射される微小測定領域１５ａが順次移動するようにｘ−ｙ軸駆動部３３を介して第１駆動機構１３ａを制御し、試料ステージ１３をステップ状に移動させる。そして、試料ステージ１３が微小距離移動して停止する毎に、上述したようにレーザ光２１を照射してその微小測定領域１５ａに対応する目的物質の相対強度を求める。このようにして、初めに設定された分析範囲の全体に亘って質量分析を行い、目的物質の相対強度のマップを作成しこれを表示部３９の画面上に表示する。
【００３１】
次に本実施例のＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳにおける特徴的な動作について説明する。上述したようにレーザ光２１はレーザ集光光学系２２により絞られて試料１５上に当たるが、試料ステージ１３をｚ軸方向に移動させることにより試料１５上でのレーザ照射面積（つまりは微小測定領域１５ａの面積）が変更できるようになっている。即ち、図２の概略図に示すように、レーザ集光光学系２２は距離Ｄだけ離れた位置に焦点を持つが、その位置に試料１５表面があるときに微小測定領域１５ａの面積は最小になり（図２（ｂ）、その位置から試料１５がレーザ集光光学系２２に近づくほど微小測定領域１５ａの面積は大きくなる（図２（ａ））。これにより、試料１５上での１回の質量分析の対象とする範囲の大きさと空間分解能とを変更することができる。
【００３２】
但し、図２に示すように試料１５の真上からレーザ光２１を照射する場合には、ｚ軸方向に試料１５を移動しても微小測定領域１５ａの中心点の位置は変化しないが、図１に示すように試料１５に対し斜め方向からレーザ光２１を照射する場合には、ｚ軸方向に試料１５を移動した場合に微小測定領域１５ａの中心点の位置がずれる。レーザ光２１の入射角度は決まっているため、ｚ軸方向の移動量に対して微小測定領域１５ａの中心点の位置すれ量は計算により容易に求まる。したがって、ｚ軸方向に試料ステージ１３を移動させることによりレーザ照射面積を変更する場合には、その移動量に応じて微小測定領域１５ａの中心点の位置ずれが生じることを考慮してｘ−ｙ軸方向の位置も制御することとする。これにより、試料１５上で微小測定領域１５ａの中心点の位置を維持したままその面積（レーザ照射径）を変更することができる。
【００３３】
また、図１の構成でｚ軸方向に試料ステージ１３を移動させることで微小測定領域１５ａの面積を変更する場合、観察用光学系２４やイオン輸送光学系１６と試料１５との相対位置や距離が変化するため、それに対する配慮が必要になる場合もある、例えば観察用光学系２４の焦点深度が浅かったり視野が狭かったりする場合には、試料１５がｚ軸方向に移動すると試料画像を捉えられなくなるため、試料ステージ１３の移動に連動して観察用光学系２４を光軸に直交する方向に移動させる必要がある。また、質量分析器１７が飛行時間型である場合、試料ステージ１３の移動に応じてイオン加速電圧を適切に調節したり、或いは得られた信号に対する時間軸を修正したりする必要が生じる場合もある。もちろん、レーザ照射面積を変えるための試料ステージ１３の移動量が、試料１５の観察位置や空間分解能、或いは分析における信号強度や質量精度、質量分解能などに有意な影響を与えない程度である場合には、上記のような配慮は不要である。
【００３４】
続いて、本実施例のＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳにおいて上記特徴的な動作を利用した各種の分析手法について説明する。
【００３５】
（１）分析個所の絞り込みを行う場合
いま、目的物質が試料１５中の或る領域にのみ局在していることが判明しているものの、その位置が不明であるという状況を想定する。この場合、試料１５の全域を高い空間分解能で以て満遍なく走査しつつ質量分析を繰り返して目的物質の位置を探すと多大な時間を要するし、大きなステップ幅を設定して高い空間分解能で以て疎らな質量分析を実行すると目的物質の見逃しが発生するおそれがある。そこで、本実施例の装置では、次のような手順で分析を実行する。
【００３６】
まず、試料ステージ１３をレーザ集光光学系２２に近づけるようにｚ軸方向に移動させ、試料１５上でのレーザ光の照射径を比較的大きくする。その状態で、図３（ａ）又は（ｂ）に示すように、試料１５の全域（又はオペレータにより設定された分析範囲全体）をカバーするようにステップ状に走査を行いながら、レーザ光が照射された各微小測定領域１５１の質量分析を実行してデータ処理部３６では目的物質の強度を求める。そして、各個所での強度に基づいて、それぞれ目的物質の有無を確認する。なお、図３（ｂ）は図３（ａ）よりもさらにレーザ照射面積を大きくした例であり、同一のステップ幅でも試料１５上で分析対象に入らない領域をより小さくすることができる。
【００３７】
いま、上記分析において微小測定領域１５１ａにおいてのみ目的物質が検出されたものとする。次に、試料ステージ１３をレーザ集光光学系２２から遠ざけるようにｚ軸方向に移動させ、試料１５上でのレーザ光の照射径を小さく絞る。そして、図３（ｃ）に示すように、先に目的物質の存在が確認された微小測定領域１５１ａ付近の領域４０に絞って、その領域４０をカバーするように小さな移動間隔でステップ状に走査を行いながら、レーザが照射された各微小測定領域１５２の質量分析を実行してデータ処理部３６では目的物質の強度を求める。その結果、例えば微小測定領域１５２ａにおいてのみ目的物質の存在が確認される。これにより、目的物質が存在する部分がより詳細に、つまり高い空間分解能で以て求まる。
【００３８】
最初に大きなレーザ照射面積で走査を行う際には、微小測定領域１５１に存在する分子の絶対数が多いため、質量スペクトルのＳ／Ｎ比が良好になる。したがって、目的物質の分子の密度が低くても、この分子に由来するイオンを高い感度で検出することができる。
【００３９】
（２）目的物質の概略的な分布を調べたい場合
例えば生体切片などの生体試料を観察・測定する場合、顕微観察において試料が複数の領域に形態的（例えば色など）に分かれていることが明瞭に分かる場合がある。こうした場合、目的物質の存在部位を細かく知る必要はなく、形態的に区分されるいずれの領域に目的物質が存在するのかを知れば十分なことも多い。いま、一例として、図４（ａ）に示すように、試料４１が明瞭に４つの領域Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄに区分可能であるとしたときを考える。このとき、図４（ｃ）に示すように、レーザ光の照射径を比較的小さくして高い空間分解能で且つ小さいステップ幅で走査を行いながら試料４１全体をカバーするように質量分析を行うことも可能である。これによって目的物質が存在する微小測定領域１５２ａが分かるから、領域Ｕａに目的物質があることが判明する。しかしながら、質量分析の繰り返し回数が非常に多くなるため効率が悪い。
【００４０】
そこで、試料ステージ１３をレーザ集光光学系２２に近づけるようにｚ軸方向に移動させ、試料１５上でのレーザ光の照射径をあえて大きくする。そして、図４（ｂ）に示すように、試料１５の全域をカバーするようにステップ状に走査を行いながら、レーザ光が照射された各微小測定領域１５１の質量分析を実行し、その結果により目的物質の有無を判別する。これにより、質量分析の繰り返し回数を少なくして短時間で領域Ｕａに目的物質があることを検出できる。この場合にも、大きなレーザ照射面積で走査を行うために微小測定領域１５１に存在する分子の絶対数が多く、目的物質の分子密度が低くても高い感度で検出することができる。
【００４１】
（３）顕微観察の倍率を切り替える場合
ＣＣＤカメラ２３（又は別に設けた顕微鏡）での試料の顕微観察を行いながら、目的物質の２次元物質分布を調べたいような場合に、例えばいま、或る観察倍率で以て図５（ａ）に示す２次元観察画像が得られているものとする。そして、この画像の中で特定の領域４２を細かく観察するために観察倍率を上げて、図５（ｂ）に示す画像が観察されたものとする。上記実施例の構成では、観察倍率を切り替えるために例えば観察用光学系２４を制御するが、その際に中央制御部３０は観察倍率を上げるに従ってレーザ照射径を縮小するように照射径制御部３１に指令を与える。これにより、図５（ｂ）に示すように高い観察倍率で観察が行われているときには、試料上でのレーザ照射径は小さく、図５（ｄ）に示すようにより詳細な２次元分布を得ることが可能である。一方、図５（ａ）に示すように低い観察倍率で観察が行われているときには、試料上でのレーザ照射径は大きく、図５（ｃ）に示すように大まかな２次元物質分布画像を得ることが可能である。これにより、観察倍率が切り替えられても、２次元物質分布を得るために必要な質量分析の繰り返し回数を同じ程度にすることができるので、分析に多大な時間を要することを回避できる。
【００４２】
また、上記（１）〜（３）のような分析手法では、いずれも試料全体や試料上の所定の範囲内をできるだけ漏れなく走査する必要があるから、レーザ照射径と走査のステップ幅とは連動しているほうが都合がよい。したがって、中央制御部３０は例えば質量分析の２次元的な走査ステップ幅に応じて自動的にレーザ照射径を変化させるような制御を行う構成とするとよい。
【００４３】
（４）目的物質の同定等、特に高感度での検出が必要な場合
いま、例えば或る試料４３に対して所定の空間分解能で以て２次元物質分布を測定し、図６（ａ）に示すような結果が得られたとする。ここで、未知の目的物質が微小測定領域４３に示すように分布していることが判明し、その物質を同定したい場合について考える。同定を行うために物質由来のイオンを開裂させて、それにより生成されるイオンの質量数を調べて元の物質の構造を推定する方法があり、その開裂の手法として、イオンの内部エネルギーを利用する方法（Post Source Decay）やイオントラップに一旦イオンを捕捉した後にガスと衝突させる方法（Collision-Induced Dissociation）などが知られている。いずれもしても、着目するイオンを高いＳ／Ｎ比で検出できれば、それだけ同定が容易で且つ同定精度も向上する。
【００４４】
そこで、図６（ａ）において未知物質が存在することが確認できた範囲について、図６（ｂ）に示すように先の２次元物質分布測定時と同程度の小さなレーザ照射径４５ではなく、図６（ｃ）に示すようにレーザ照射径４６をあえて大きくして、未知物質が存在することが確認できた範囲が大部分を占めるように照射位置を設定する。これによれば、１回の質量分析の対象とする目的物質の分子数が多くなるので、それに由来するイオンを直接検出する場合はもちろんのこと、例えば上述のように開裂により生じたイオンを検出する場合でもイオン強度が相対的に大きくなり、同定を行い易くなる。
【００４５】
なお、一般的なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、試料を溶媒に溶解させてさらにマトリクスと混合した後に試料プレート上に滴下し、そこにレーザ光を照射して分析を行う。この場合には、２次元的且つ離散的に配列された試料に対し順番にレーザ光を照射するから、空間分解能は全く問わない。こうした場合にも感度向上のためにレーザ照射径を大きくしたほうがよい。
【００４６】
次に、上記第１実施例とはレーザ照射径の可変方法が相違する、いくつかの他の実施例に係る質量分析装置について説明する。
【００４７】
［第２実施例］
図７は第２実施例におけるレーザ照射部と試料との間の光路の概略図である。図２で説明したように、レーザ集光光学系２２と試料１５表面との間の距離を変えることにより試料１５上でのレーザ照射径（面積）は変化するが、これは試料１５の位置、即ち試料ステージ１３の位置を固定して、レーザ集光光学系２２の位置をレーザ光２１の光軸に沿って変化させても同じことである。図７（ｂ）に示すように、レーザ集光光学系２２が試料１５表面から距離Ｄだけ離れた位置にあるとき試料１５での微小測定領域１５ａの面積は最小になり、その位置からレーザ集光光学系２２が試料１５に近づくように移動すると試料１５での微小測定領域１５ａの面積は大きくなる。
【００４８】
この構成の場合、試料１５はｚ軸方向に移動させる必要がないため、上記実施例とは異なり、レーザ照射径を変える際にレーザ集光光学系２２以外の要素（例えば観察用光学系２４など）には配慮する必要がない。そのため、構成は簡単になる。レーザ集光光学系２２は、単レンズであってもよいし、組み合わせレンズやミラーを用いてもよい。なお、図７ではレーザ集光光学系２２への入射レーザ光を平行光束として描いているが、必ずしも平行光束である必要はない。
【００４９】
［第３実施例］
レーザ光は理論上、大きな開口数で集光させるほど小さな集光径となることが知られている。具体的には、ガウシアン・ビーム理論によれば、レーザ光の集光に関して、開口数（ＮＡ）と集光径（２ｗ0）との関係は次の式になる。
ｗ0＝λ／（π・ｓｉｎ-1ＮＡ）
一例としてレーザ光の波長（λ）が３５５ｎｍであるときの開口数と集光径との関係を計算した結果を図８に挙げる。したがって、レーザ集光についての開口数を大きくするように変えることにより試料上でのレーザ集光径を小さくするように変えることができる。
【００５０】
レーザ集光に関する開口数を変えるために様々な構成が考え得る。例えば図９は、レーザ照射部２０とレーザ集光光学系２２との間に、開口部５１の径が可変（又は切替え可能）であるアパーチャ部材５０を挿入したものである。また図１０は、レーザ集光光学系２２と試料１５との間に、同様の構成のアパーチャ部材５０を挿入したものである。このアパーチャ部材５０の開口部５１の径（つまり面積）は中央制御部３０により制御可能であり、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように開口部５１を小さくした場合には試料１５上でのレーザ照射径（微小測定領域１５の面積）は大きくなり、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように開口部５１を大きくした場合には試料１５上でのレーザ照射径は小さくなる。
【００５１】
［第３実施例の変形例］
図１１は、アパーチャ部材の代わりにレーザ照射部２０とレーザ集光光学系２２との間にズームレンズ５２を挿入したものである。このズームレンズ５２は倍率可変のビームエクスパンダーであり、これによりレーザ光２１の光束を拡大すれば試料１５上でのレーザ照射径はより小さくなる。
【００５２】
図１２は、アパーチャ部材５０をレーザ照射部２０とレーザ集光光学系２２との間でレーザ照射部２０の直近に設けたものである。この構成による光学系は、アパーチャ部材５０の開口部５１を光源とする縮小結像型の光学系として機能する。即ち、試料１５とレーザ集光光学系２２との間の距離Ｄ１と、レーザ集光光学系２２とアパーチャ部材５０との間の距離Ｄ２との比率を縮小率とする縮小結像系であるから、レーザ照射径を小さくするためには、距離Ｄ２を距離Ｄ１よりも大きくする必要があり、これを実現するためにアパーチャ部材５０をレーザ照射部２０の直近に配置してある。
【００５３】
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、アパーチャ部材５０の開口部５１を大きな状態から小さくしてゆくと、図９に示した構成と同様の原理によって、試料１５上でのレーザ照射径は大きくなる。しかしながら、開口部５１が或る程度小さくなった状態からさらに開口部５１を小さくすると、アパーチャ部材５０の開口部５１は微小な光源として振る舞うようになり、その縮小光学系として機能する。そのため、図１２（ｃ）に示すように、開口部５１を小さくするほどレーザ光照射径は小さくなる。
【００５４】
一例として、ガウシアン・ビームの理論に従い、レーザ光の波長を３５５ｎｍ、レーザ集光光学系２２の焦点距離を１００ｍｍ、レーザ照射部２０とレーザ集光光学系２２との間の距離を１０００ｍｍとし、レーザ照射部２０の出射部にアパーチャ部材５０を置くことにより、その開口部５１にビームウエストが位置するとしたときのアパーチャ開口径とレーザ照射径との関係を計算した結果を図１３に示す。図中のＰの領域を用いるのが図１２の構成の光学系であり、それよりも右方の領域を用いるのが図９の構成の光学系である。
【００５５】
図１４は、レーザ照射部２０とレーザ集光光学系２２との間に、集光レンズ５６とピンホール５７とから成るスペイシャルフィルタ５５を挿入したものである。この構成では、ピンホール５７の孔径を変えることにより試料１５上のレーザ照射径を変えることができる。この場合も、ピンホール５７の孔を光源をみなした縮小結像系として機能することは上記例と同様である。
【００５６】
上記第３実施例及びその変形例はいずれも、伝播するレーザ光の断面積を変化させることにより理論的なレーザ集光径を変化させるものである。これらについての上記説明はいずれもガウシアン・ビーム理論に則っているが、定性的には、例えばマルチモード発振のガスレーザなど、ガウシアン・ビームではないものについても同様の構成を利用することができる。
【００５７】
第３実施例及びその変形例の構成の大きな利点は、図１１を除き、既存の装置にアパーチャ部材５０と、それの切替え制御回路を追加すればよいだけであるので、簡単で安価に実現できることである。また、ズームレンズ５２を用いた場合には、アパーチャ部材５０よりは高価になるが、レーザパワーの損失がなく、しかもレーザ光伝播経路のいずれかにズームレンズ５２を挿入すればよいので、装置を設計する上でレイアウトの自由度が大きい。また、第３実施例の構成では、第２実施例と同様に、レーザ照射径の変更に伴う観察用光学系２４など別の要素の移動も不要であるという利点がある。
【００５８】
前述のように上記第１実施例の構成では、レーザ照射部２０から出射するレーザ光２１の強度（レーザパワー）は照射制御部３５の制御の下に調整可能である。そこで、質量分析に際して、レーザ出射光は分析に適当なレーザ光強度に調整される。一般に、適切なイオン化を行うためにはレーザ光強度について適切な範囲があり、その下限は主としてイオン化の閾値で決まり、上限は装置構成等に依存する様々な制約で決まる。具体的には、試料への損傷の程度、過度なイオン量が入射してくることによる質量分析器の性能劣化、検出器のレンジオーバーなどが制約条件である。
【００５９】
上述のように試料１５上でのレーザ照射面積が大きな状態でレーザ光強度を適切に調整してあるとき、レーザ照射面積を小さくしてゆくと試料１５上でのレーザ光束密度は上がる（但し、第３実施例においてアパーチャ部材を用いる場合を除く）。例えばレーザ照射径を１／１０にすればレーザ光束密度は１００倍になる。そのため、レーザ照射部２０からの出射レーザ光強度を調整しないと、試料１５に当たる時点でのレーザ光強度が上記のような適切な範囲を逸脱する可能性が高い。そこで、中央制御部３０はレーザ光の照射面積を調整する際には、それに連動してレーザ光強度を調整するように照射制御部３５を制御することが好ましい。なお、レーザ光強度の調整は様々な方法により実現できるが、例えば無段階アッテネータなどを用いるとよい。
【００６０】
なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳの全体構成図。
【図２】第１実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図３】分析個所の絞り込みを行う場合の分析方法の一例の説明図。
【図４】目的物質の概略的な分布を調べたい場合の分析方法の一例の説明図。
【図５】顕微観察の倍率を切り替える場合の分析方法の一例の説明図。
【図６】特に高感度での検出が必要な場合の分析方法の一例の説明図。
【図７】第２実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図８】レーザ光の波長が３５５ｎｍであるときの開口数と集光径との関係を計算した結果を示す図。
【図９】第３実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図１０】第３実施例によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図１１】第３実施例の変形によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図１２】第３実施例の変形によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【図１３】レーザ照射部の出射部にビームウエストが位置するとしたときのアパーチャ開口径とレーザ照射径との関係を計算した結果を示す図。
【図１４】第３実施例の変形によるＬＤＩ／ＭＡＬＤＩ−ＭＳのレーザ照射部から試料までの光路の概略図。
【符号の説明】
【００６２】
１０…真空チャンバ
１１…照射用窓
１２…観察用窓
１３…試料ステージ
１３ａ…第１駆動機構
１３ｂ…第２駆動機構
１４…試料プレート
１５…試料
１５ａ、１５１、１５１ａ、１５２、１５２ａ…微小測定領域
１６…イオン輸送光学系
１７…質量分析器
１８…検出器
２０…レーザ照射部
２１…レーザ光
２２…レーザ集光光学系
２３…ＣＣＤカメラ
２４…観察用光学系
３０…中央制御部
３１…照射径制御部
３２…走査制御部
３３…ｙ軸駆動部
３４…ｚ軸駆動部
３５…照射制御部
３６…質量分析データ処理部
３７…画像処理部
３８…操作部
３９…表示部
５０…アパーチャ部材
５１…開口部
５２…ズームレンズ
５５…スペイシャルフィルタ
５６…集光レンズ
５７…ピンホール
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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