(57)【要約】【課題】  プローブの従来よりも大きな変位を計測可能なプローブ変位計測装置を提供する。【解決手段】  プローブ変位計測装置１は、片持ち梁状のプローブ１１と、プローブ１１に光を照射する光照射手段１２と、光照射手段１２によって照射され、プローブ１１の表面にて反射された反射光１０５をスポットとして受光する受光素子１４を有する。また、プローブ変位計測装置１は、受光素子１４上におけるスポットの位置に基づいてプローブ１１の変位を取得する変位取得手段１５を有する。受光素子１４は、直線状の分割線１４１によって分割された第１の受光面１４ａと第２の受光面１４ｂとを有し、スポットの受光素子１４上における変位方向と分割線１４１とがなす角が、０°より大きく９０°より小さい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片持ち梁状のプローブと、
前記プローブに光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段によって照射され、前記プローブの表面にて反射された反射光をスポットとして受光する受光素子と、
前記受光素子上における前記スポットの位置に基づいて前記プローブの変位を取得する変位取得手段と、を有するプローブ変位計測装置であって、
前記受光素子は、直線状の分割線によって分割された第１の受光面と第２の受光面とを有し、
前記スポットの前記受光素子上における変位方向と前記分割線とがなす角が、０°より大きく９０°より小さいことを特徴とするプローブ変位計測装置。
【請求項２】
前記変位取得手段が、前記第１の受光面が受光した光量と前記第２の受光面が受光した光量との差分に基づいて、前記受光素子上における前記スポットの位置を取得することを特徴とする請求項１に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項３】
前記反射光の一部を遮光する遮光手段を前記反射光の光路上に有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項４】
前記遮光手段は前記反射光の一部を透過するスリットを有し、前記スリットの長軸に平行な直線と前記分割線とがなす角が、０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項５】
前記変位取得手段が取得する前記プローブの変位が発生する平面と、前記分割線とが平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項６】
前記プローブの中心軸と、前記分割線とが同一平面上に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項７】
前記変位取得手段が取得する前記プローブの変位が発生する平面と、前記スリットの長軸に平行な直線とが平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項８】
前記プローブの中心軸と、前記スリットの長軸方向に平行な中心線とが同一平面上に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項９】
前記第１の受光面が受光する光量と前記第２の受光面が受光する光量の和が、前記スポットの前記受光素子上における変位によらず一定であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項１０】
前記第１の受光面が受光する光量と、前記第２の受光面が受光する光量とが、前記スポットの前記受光素子上における変位に伴ってそれぞれ変化することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
【請求項１１】
前記スポットの前記受光素子上における変位方向と前記分割線とがなす角をθ１とすると、θ１が下記の式（１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置。
０°＜θ１＜ｔａｎ−１｛Ｘ／（Ｌ−Ｙ）｝      式（１）
（ここで、Ｘは前記スリットのスリット幅、Ｙは前記スポットの前記スポットの変位方向の長さ、Ｌは前記スポットの変位の幅をそれぞれ表す。）
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のプローブ変位計測装置と、
前記プローブの自由端を試料の表面上の微小領域に接近または接触させて、前記微小領域に含まれる物質をイオン化するイオン化手段と、を有するイオン化装置。
【請求項１３】
前記変位取得手段によって取得した前記プローブの変位に基づいて、前記プローブと前記試料との間の距離を変化させる距離変化手段をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載のイオン化装置。
【請求項１４】
前記距離変化手段が、前記変位取得手段によって取得した前記プローブの変位または振幅が一定になるように、前記プローブと前記試料との間の距離を変化させることを特徴とする請求項１３に記載のイオン化装置。
【請求項１５】
前記イオン化手段が、
前記自由端に液体を供給する液体供給手段と、
前記物質がイオン化することによって発生するイオンを引き出す引出電極と、
前記自由端と前記引出電極との間に電界を発生させる電界発生手段と、を有することを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか一項に記載のイオン化装置。
【請求項１６】
請求項１２乃至請求項１５のいずれか一項に記載のイオン化装置と、
イオン化した前記物質の質量を分析する分析手段と、を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１７】
前記プローブ変位計測装置によって取得した前記プローブの変位に基づいて、前記分析手段のイオン数計測部の動作タイミングを制御することを特徴とする請求項１６に記載の質量分析装置。
【請求項１８】
前記プローブと前記試料の表面とをＸＹ方向に相対的に走査するＸＹ走査手段をさらに有する請求項１６または請求項１７に記載の質量分析装置。
【請求項１９】
請求項１６乃至請求項１８のいずれか一項に記載の質量分析装置と、
前記質量分析装置によって分析した質量の情報と、
前記質量の情報を取得した際の前記プローブの自由端の前記試料に対するＸＹ平面上の位置の情報とから、
前記試料に含まれる成分の分布を示す第１の画像データを生成する画像データ生成部と、を有する情報取得システム。
【請求項２０】
前記画像データ生成部が、前記プローブの自由端の前記試料に対するＸＹ平面上の位置の情報と、前記距離変化手段の制御量とから、前記試料の表面形状を示す第２の画像データを生成することを特徴とする請求項１９に記載の情報取得システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブの変位を計測するプローブ変位計測装置に関し、特に、プローブに光を照射することによってプローブの変位を計測するプローブ変位計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、試料の表面形状を観察する装置である。ＳＰＭは、片持ち梁状のプローブで試料表面を走査した際のプローブの上下動（変位）を計測することによって、試料の表面形状を計測する。
【０００３】
プローブの変位を計測する方法の一つに、光てこ方式がある。光てこ方式では、レーザ光などの光ビームをプローブ（カンチレバー）の上面に照射し、その反射光を遠方に設置した位置検出可能型の光検出器で検出する。この方式によれば、反射光のわずかな角度変化に反映されたプローブの微小な変位を、鋭敏に検出して計測することができる（特許文献１）。
【０００４】
また、走査型プローブエレクトロスプレーイオン化法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ；  ＳＰＥＳＩ）は、プローブを用いて試料表面上の微小領域内に存在する試料を選択的にイオン化する手法である。ＳＰＥＳＩを用いることで、例えば生体試料などの試料に含まれる成分を微小領域ごとにイオン化することができる。そして、イオン化したイオンを質量分析等の分析手法で分析することで、試料中の成分の分布を可視化することができる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７１３４１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光てこ方式では、光検出器として２分割または４分割フォトダイオード（ＰＤ）や光位置センサ（ＰＳＤ）、ＣＣＤなどのイメージセンサを用いることができる。ただしこれらの光検出器の中でも、光検出器そのもののコストや検出信号の処理の容易性の観点から、２分割または４分割ＰＤを用いることが多い。
【０００７】
特許文献１に記載されているような２分割ＰＤを用いる従来の光てこ方式では、反射光のスポットがＰＤの有する２つの受光面の境界線（分割線）上に存在する場合にのみ、反射光のスポットの位置を特定することができる。
【０００８】
光てこ方式では、プローブの変位が大きくなると、それに伴って反射光の変位量も大きくなる。そのため、プローブの変位が大きくなると、光検出器上に投影される反射光のスポットが境界線上を越え、スポットの全体が１つの受光面上に投影される場合が生じる。したがって従来の光てこ方式では、プローブの変位が大きくなると、たとえ反射光のスポットが光検出器上に投影されていたとしても、プローブの変位を計測できなくなってしまう場合があるという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は上述の課題に鑑み、プローブの従来よりも大きな変位を計測可能なプローブ変位計測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】
本発明に係るプローブ変位計測装置は、片持ち梁状のプローブと、前記プローブに光を照射する光照射手段と、前記光照射手段によって照射され、前記プローブの表面にて反射された反射光をスポットとして受光する受光素子と、前記受光素子上における前記スポットの位置に基づいて前記プローブの変位を取得する変位取得手段と、を有するプローブ変位計測装置であって、前記受光素子は、直線状の分割線によって分割された第１の受光面と第２の受光面とを有し、前記スポットの前記受光素子上における変位方向と前記分割線とがなす角が、０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プローブの従来よりも大きな変位を計測可能なプローブ変位計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係るプローブ変位計測装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る受光素子および遮光板を示す図である。
【図３】従来の光てこ方式によるプローブ変位計測装置の構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係るプローブ変位計測装置の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る受光素子および遮光板を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る情報取得システムの構成を示す図である。
【図７】実施例１に係るプローブの振動状態の計測結果を示す図である。
【図８】実施例２に係る試料の模式図と質量分析を利用した計測結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明においては、その趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下に説明する実施形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものについても本発明の範囲に含む。
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るプローブ変位計測装置１（以下、「装置１」と称する）の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る装置１の構成を模式的に示す図である。
【００１５】
本実施形態に係る装置１は、プローブ１１と、光源１２と、遮光板１３と、受光素子１４（以下、「素子１４」と称する）と、演算手段１５と、を有する。
【００１６】
プローブ１１は、棒状や板状などの形状の片持ち梁状のプローブである。すなわち、プローブ１１の一端（固定端１１ａ）は装置１の本体に対して固定されている。また、プローブ１１の他端（自由端１１ｂ）は矢示１１０の方向に変位することができる。つまり、プローブ１１の自由端１１ｂは、図１（ａ）中のｙｚ平面内で変位する。なお本明細書においては、プローブ１１の自由端１１ｂの変位を、単に「プローブ１１の変位」と称することもある。装置１は、ｙｚ平面内におけるプローブ１１の変位を計測する装置である。
【００１７】
プローブ１１の形状は特に限定はされず、例えば棒状や板状とすることができる。プローブ１１の形状を棒状とする場合、角柱状や円柱状とすることができる。なお、このときプローブ１１は中実でも中空でもよい。すなわち、プローブ１１は円筒（中空丸棒）状でもよい。プローブ１１を円筒状とすることで、プローブ１１の内部を介して液体や気体等の流体を、プローブ１１の自由端１１ｂへと供給することができる。
【００１８】
また、プローブ１１の材質は特に限定はされず、例えば樹脂、ガラス、金属、セラミックスやシリコンなどの無機物などを用いることができる。ただし少なくとも、後述する光源１２からの照射光１０３がプローブ１１の表面の一部である照射部１０４は、照射光１０３を反射しやすい材質を用いることが好ましい。これにより、照射部１０４から発生する反射光１０５の光量を大きくすることができる。なお、照射部１０４の部分にミラーなどを付着させてもよい。あるいは、プローブ１１の表面を反射率の高い材質でコーティングしてもよい。
【００１９】
プローブ１１の変位を発生させる手段は、特に限定はされない。例えば図１に示すように、プローブ１１に振動子１０２を接触させることでプローブ１１の変位を発生させてもよい。これによりプローブ１１に振動子１０２が発する外力が伝達し、プローブ１１の自由端１１ｂを振動させることができる。また、プローブ１１を装置１の本体に固定する支持部１０１が、プローブ１１を励振するための振動子１０２を内蔵していてもよい。
【００２０】
あるいは、プローブ１１の自由端１１ｂを不図示の試料に近接させることでも、プローブ１１の変位を発生させることができる。プローブ１１の自由端１１ｂを不図示の試料に対向して近接させると、自由端１１ｂと試料表面との間に働く相互作用（原子間力、斥力、引力、粘性、電磁気力など）によって、プローブ１１の変位が発生する。上述のように振動子１０２によって振動させたプローブ１１の自由端１１ｂを試料に近接させることで、さらに変位を発生させてもよい。
【００２１】
なお、本実施形態ではプローブ１１の変位を矢示１１０の方向としたが、これに限定はされない。例えばプローブ１１の自由端１１ｂは、図１（ａ）中のｙｚ平面内での変位に加え、ｘ方向にも変位してもよい。すなわちプローブ１１は、装置１が計測するｙｚ平面内での変位を少なくとも含むように変位すればよい。また、振動子１０２を用いてプローブ１１の自由端１１ｂを振動させる場合には、連続的に振動させてもよいし、断続的に振動させてもよい。さらに、一定の振幅で振動させてもよいし、振幅を変化させながら振動させてもよい。
【００２２】
光源１２は、照射光１０３をプローブ１１の表面（照射部１０４）に照射する。すなわち、光源１２はプローブ１１に光を照射する光照射手段である。プローブ１１の表面に照射された照射光１０３は、プローブ１１の表面で反射される。これにより、反射光１０５が発生する。
【００２３】
光源１２の種類については特に限定はされず、ランプ光源やレーザ光源等の光源を用いることができる。これらの光源の中でも、反射光１０５の光強度を大きくするという観点から、コヒーレントな光を発することのできるレーザ光源が好ましい。
【００２４】
また、装置１は光照射手段として光源１２の他に、不図示の集光用レンズを照射光１０３の光路上に有していてもよい。集光用レンズを用いることで、光源１２から発せられた照射光１０３を集光させて光強度を向上させた上で、プローブ１１の表面に照射することができる。
【００２５】
照射部１０４の位置は、プローブ１１の固定端１１ａと自由端１１ｂとの間であれば特に限定はされない。ただし、照射部１０４の位置が固定端１１ａに近すぎるとプローブ１１の変位が反射光１０５の出射方向に反映されにくくなるため、照射部１０４の位置は固定端１１ａからある程度離れていることが好ましい。また、照射部１０４の位置が自由端１１ｂに近すぎるとプローブ１１の変位に伴って反射光１０５の出射角度が大きく変化してしまうため、照射部１０４の位置は自由端１１ｂからもある程度離れていることが好ましい。
【００２６】
本実施形態に係る装置１によれば、照射部１０４の変位を計測することができる。固定端１１ａから照射部１０４までの長さは、固定端１１ａから自由端１１ｂまでの長さよりも短い。このため、自由端１１ａの変位量は、照射部１０４の変位量よりも大きくなる。固定端１１ａから自由端１１ｂまでの長さを固定端１１ａから照射部１０４までの長さで割った値を、照射部１０４の変位量にかけることで、自由端１１ａの変位を計測することができる。
【００２７】
なお、光源１２から見た際のプローブ１１の幅（固定端１１ａ、自由端１１ｂを結ぶ直線と垂直な幅）よりも広い領域に照射光１０３を照射してもよいが、プローブ１１の表面上に微小なスポットとして照射光１０３を照射することが好ましい。これにより、プローブ１１の表面以外からの反射光の影響を抑制することができる。
【００２８】
反射光１０５のスポット形状は、照射光１０３のスポット形状とプローブ１１の表面形状に依存して決まる。例えば、プローブ１１の表面のうち照射部１０４が平坦な平面である場合は、反射光１０５のスポット形状は照射光１０３のスポット形状と略相似な形状となる。すなわち、例えば照射光１０３のスポット形状が円形であれば、反射光１０５のスポット形状も略円形となる。あるいは、プローブ１１の形状が円柱状や円筒状である場合など、プローブ１１の表面のうち照射部１０４が曲面である場合は、反射光１０５のスポット形状は照射光１０３よりもプローブ１１の幅方向に広がった形状となる。
【００２９】
素子１４は、プローブ１１の表面から発せられた反射光１０５を受光する。素子１４が反射光１０５を受光すると、受光した反射光１０５の光強度に応じて電気信号を出力する。すなわち、素子１４は光を検出する光検出手段である。
【００３０】
本実施形態に係る素子１４は、直線状の分割線１４１によって分割された２つの隣接した受光面を有する、２分割型の受光素子である。図１（ｂ）に示すように、素子１４が有する２つの受光面（第１の受光面１４ａ、第２の受光面１４ｂ）は、分割線１４１を介して隣接している。また、本実施形態に係る素子１４は、分割線１４１をｙｚ平面内に有する。素子１４の有する第１の受光面１４ａおよび第２の受光面１４ｂは反射光１０５を受光して、それぞれの受光面（１４ａおよび１４ｂ）が受光した反射光１０５の光強度に比例した電流値を有する電流を出力する。
【００３１】
素子１４は、少なくとも２つの隣接した受光面を有する受光素子であれば特に限定はされない。例えば素子１４としては、２分割のフォトダイオード（ＰＤ）や４分割のフォトダイオード（ＰＤ）、光位置センサ（ＰＳＤ）、ＣＣＤなどの画素に区分された位置敏感型の光電変換素子（イメージセンサ）を用いることができる。素子１４は、これらの受光素子の中でも、コストや信号処理の容易性の観点から２分割のフォトダイオードであることが好ましい。
【００３２】
演算手段１５は、素子１４のそれぞれの受光面（１４ａおよび１４ｂ）からの電流値それぞれに基づいて、素子１４上に照射された反射光１０５のスポットの位置を取得する手段である。素子１４上における反射光１０５のスポットの位置は、プローブ１１の変位に伴って変位するため、素子１４上における反射光１０５のスポットの位置を取得することで、プローブ１１の変位を計測することができる。すなわち、演算手段１５は変位取得手段である。
【００３３】
演算手段１５は、各受光面（１４ａおよび１４ｂ）からの電流信号を電圧信号に変換する。そして、各電圧信号の電圧値の差分を演算する。各電圧信号の電圧値の差分に対応する信号の振幅を計測することで、プローブ１１の変位量を計測する。
【００３４】
さらに本実施形態に係る装置１は、遮光板１３を反射光１０５の光路上に有する。以下、図１および図２を用いて遮光板１３について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る遮光板１３、素子１４、および反射光１０５のスポットを模式的に示す図である。ここでは、照射部１０４の形状が平面であり、照射光１０３のスポットの形状が図１の紙面奥行き方向（ｘ方向）に長軸を有する楕円形である場合について説明する。なお、照射光１０３のスポットの形状や照射部１０４の形状はこれに限定されるものではない。
【００３５】
本実施形態では、装置１によって計測するプローブ１１の変位に沿った平面である、図１（ａ）におけるｙｚ平面上に分割線１４１が存在するように、素子１４を配置する。このとき、プローブ１１の中心軸と分割線１４１とが同一平面上に存在するように配置することが好ましい。これにより、プローブ１１と素子１４の配置の調整が容易になる。
【００３６】
図２（ａ）は、遮光板１３を反射光１０５の光路上に配置しなかった場合を示している。上述のとおり、照射部１０４が平面である場合には、反射光１０５のスポットの形状は照射光１０３のスポットの形状と略相似な形状となる。したがって、反射光１０５は図２（ａ）に示すように、素子１４上に楕円形のスポット１５１として投影される。プローブ１１がｙｚ平面内で変位すると、反射光１０５のスポット１５１は分割線１４１上をｙ軸方向に変位する。
【００３７】
図１（ｃ）および図２（ｂ）は、本実施形態に係る遮光板１３を模式的に示す図である。図１（ｃ）に示すように、本実施形態に係る遮光板１３は、スリット状の透過部１３１と遮光部１３２とを有する。透過部１３１は光を透過させる部分であり、遮光部１３２は光を遮光する部分である。遮光板１３を反射光１０５の光路上の照射部１０４と素子１４との間に配置すると、反射光１０５は遮光板１３上にスポット１５２として投影される（図２（ｂ））。遮光板１３は、遮光板１３上に投影されたスポット１５２のうち、遮光部１３２に投影された光を遮光し、透過部１３１に投影された光を選択的に透過させる。
【００３８】
遮光板１３の遮光部１３２の材質は、反射光１０５を遮光することができる材質であれば特に限定はされない。また、透過部１３１を有する遮光板１３は、板状の遮光部１３２にスリットを施すことによって容易に作製することができる。このとき、透過部１３１のスリット幅Ｗ２は、スポット１５２の長径Ｗ１より小さいことが好ましい。これにより、スポット１５２の一部を切り出し、透過部１３１に投影された光を選択的に透過させることができる。
【００３９】
プローブ１１が図１の矢示Ａ１方向に変位すると、それに伴って遮光板１３上におけるスポット１５２の位置も図２（ｂ）の矢示Ａ２方向に変位する。したがって、プローブ１１の自由端１１ｂが振動している場合には、スポット１５２はスポット１５２ａからスポット１５２ｃの間で振動する。なお、スポット１５２ｂはプローブ１１の変位がゼロの場合（自由端１１ｂの位置が振動の中心位置にある場合）に対応する。そして、スポット１５２ａおよびスポット１５２ｃはそれぞれ、プローブ１１の自由端１１ｂの位置が最も高い位置にある場合と最も低い位置にある場合に対応する。
【００４０】
本実施形態では、遮光板１３の有するスリット状の透過部１３１を、透過部１３１のスリット長さの方向（矢示Ａ３）が、スポット１５２の変位方向（矢示Ａ２）と平行ではなく、かつ直交しないように設ける。すなわち、透過部１３１のスリット長さ方向（矢示Ａ３）と、スポット１５２の変位方向（矢示Ａ３）とがなす角θ１は、以下の関係を満たす。
０°＜θ１＜９０°      式（１）
【００４１】
図２（ｃ）は、遮光板１３を反射光１０５の光路上に配置した場合の、素子１４上に投影される光を示している。上述の通り、遮光板１３上に投影されたスポット１５２のうち、透過部１３１に投影された部分の光は遮光板１３を透過する。そして、遮光板１３を透過した光は素子１４上にスポット１５３として投影される。なお、スポット１５３ｂはプローブ１１の変位がゼロの場合（自由端１１ｂの位置が振動の中心位置にある場合）に対応する。そして、スポット１５３ａおよびスポット１５３ｃはそれぞれ、プローブ１１の自由端１１ｂの位置が最も高い位置にある場合と最も低い位置にある場合に対応する。
【００４２】
スポット１５３の素子１４上における位置は、プローブ１１の変位に伴って、透過部１３１のスリット長さの方向（矢示Ａ３）と平行な方向（矢示Ａ４）に沿って変位する。つまり、スポット１５３の素子１４上における変位方向（矢示Ａ４）と、スポット１５２の変位方向（矢示Ａ２）とがなす角もθ１となる。さらに、本実施形態に係る素子１４は、平面ｙｚ上に分割線１４１が存在するように配置してあるため、スポット１５３の素子１４上における変位方向（矢示Ａ４）と分割線１４１とがなす角もθ１となる。したがって、これらの角度も全て式（１）の関係を満たし、０°より大きく９０°より小さい。
【００４３】
このように本実施形態では、スリット状の透過部１３１を有する遮光板１３を反射光１０５の光路上に配置することで、反射光１０５による素子１４上のスポットの変位の方向を、矢示Ａ２の方向から矢示Ａ３の方向へと変換することができる。このように素子１４上におけるスポットの変位の方向を変換することで、スポットの縦方向（矢示Ａ２の方向）の変位量２０１を、より小さなｘ方向（矢示Ａ２と垂直な方向）の変位量２０２へと圧縮することができる。これにより、２分割のフォトダイオードなど、スポットの素子１４上における限られた変位量しか計測できないような素子１４を用いた場合であっても、プローブ１１の大きな変位の計測を行うことができる。なお、本明細書において変位量とは、素子１４上の変位前後のスポットにおける、それぞれの重心同士の間の距離を意味する。
【００４４】
また、上述の変位量の圧縮における圧縮比率は、透過部１３１のスリット長さ方向（矢示Ａ３）と、スポット１５２の変位方向（矢示Ａ２）とがなす角θ１を用いると、ｔａｎθ１となる。すなわち、スポット１５２の変位方向２０１に対してθ１だけ傾いたスリット状の透過部１３１を有する遮光板１３を用いることで、スポットの変位量をｔａｎθ１倍に圧縮することができる。
【００４５】
本実施形態に係る演算手段１５は、各受光面（１４ａおよび１４ｂ）からの電気信号の電圧値の差分ΔＶ（式（２））を演算し、取得する。
ΔＶ＝Ｖａ−Ｖｂ      式（２）
【００４６】
ここで、ＶａおよびＶｂはそれぞれ、受光面１４ａおよび受光面１４ｂ上に照射された反射光１０５の光強度に比例する電気信号の電圧値を示す。このとき、式（２）の代わりに式（３）で示される値ΔＶ´を取得してもよい。
ΔＶ´＝ΔＶ／（Ｖａ＋Ｖｂ）＝（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）      式（３）
【００４７】
なお、演算手段１５は式（２）または式（３）で表される演算を行うため、各受光面（１４ａおよび１４ｂ）からの電流信号を、電流電圧変換回路を用いて電圧信号に変換した上で演算処理を行ってもよい。演算処理を行う際には、加算回路や差動増幅回路を用いて信号の演算を行うことが好ましい。
【００４８】
式（２）または式（３）で表される値は、素子１４上におけるスポット１５３の、分割線１４１と垂直な方向（ｘ方向）の変位に１対１で対応する。そのため、演算手段１５は式（２）または式（３）を取得することで、素子１４上におけるスポット１５３のｘ方向の変位を取得することができる。
【００４９】
スポット１５３が受光面１４ａおよび受光面１４ｂに等しい面積で照射されている場合、式（２）または式（３）の演算結果はゼロとなる。一方、スポット１５３が各受光面（１４ａおよび１４ｂ）に異なる面積で照射されている場合は、式（２）または式（３）の演算結果は各受光面上でのスポット１５３の面積に対応して、正または負の値となる。
【００５０】
本実施形態では、装置１を使用する前に、プローブ１１の変位がゼロの状態においてスポット１５３が受光面１４ａおよび受光面１４ｂに等しい面積で照射されるように、素子１４の位置を調整する。すなわち、プローブ１１の変位がゼロの状態において式（２）または式（３）で表される演算結果がゼロになるようにしておく。これにより、プローブ１１が変位するとプローブ１１の変位に伴ってスポット１５３の素子１４上におけるｘ方向の変位が発生し、各受光面におけるスポット１５３の面積が変化するようになる。その結果、演算手段１５によって式（２）または式（３）の演算を行うことで、スポット１５３の素子１４上におけるｘ方向の位置を取得することができる。さらに、取得したスポット１５３の素子１４上におけるｘ方向の位置に対応した、プローブ１１のｙｚ平面内における変位も取得することができる。
【００５１】
なお、プローブ１１の自由端１１ｂがｙｚ平面内で振動している場合は、素子１４上におけるスポット１５３もｘ方向に振動する。するとこれに伴って、式（２）または式（３）の演算結果の電圧信号も、プローブ１１およびスポット１５３の振動の周波数で振動する。また、電圧信号の信号強度はスポット１５３の光強度と、スポット１５３の各受光面における面積に比例する。さらに、電圧信号の信号強度はプローブ１１の振動の振幅に比例する。このため、スポット１５３の素子１４上におけるｘ方向の変位を計測することで、プローブ１１のｙｚ平面内における振動の振幅を計測することができる。
【００５２】
上述の通り、スポット１５３の素子１４上におけるｘ方向の位置は、プローブ１１のｙｚ平面内における変位に伴って変動する。本実施形態に係るスポット１５３は、プローブ１１が変位しても、常にスポット１５３の少なくとも一部が第１の受光面１４ａに存在し、他の少なくとも一部が第２の受光面１４ｂに存在していることが好ましい。すなわち、スポット１５３は常に分割線１４１上に存在していることが好ましい。これにより、式（２）または式（３）の演算結果からスポット１５３の素子１４上における変位を一意に決定することができる。
【００５３】
図２（ｄ）に示すように、スポット１５３の幅をＸ、スポット１５３の高さをＹとする。また、素子１４上においてスポット１５３が最も低い位置に存在する場合のスポット１５３ｃと、素子１４上においてスポット１５３が最も高い位置に存在する場合のスポット１５３ａとの間の変位をＬとする。すなわち、プローブ１１の振幅に対応する、スポット１５３の振幅をＬとする。このとき、スポット１５３が常に分割線１４１上に存在しているために、下記の式（４）を満たすことが好ましい。
０°＜θ１＜ｔａｎ−１｛Ｘ／（Ｌ−Ｙ）｝      式（４）
【００５４】
なお、素子１４と遮光板１３との間の距離が近い場合には、素子１４上におけるスポット１５３の幅Ｘは、遮光板１３の有する透過部１３１のスリット幅Ｗ２と等しいものとみなしてもよい。
【００５５】
本実施形態ではこのように、遮光板１３を用いることで、スポット１５３の素子１４上における変位方向（矢示Ａ４）と素子１４の分割線１４１（ｙ方向）とがなす角を、０°より大きく９０°より小さくする。これにより、従来の光てこ方式のプローブ変位計測装置では計測することが困難であった、プローブ１１のｙｚ平面内における大きな変位を計測することができる。
【００５６】
従来例に係るプローブ変位計測装置３（以下、「装置３」と称する）について、図３を用いて説明する。装置３は、図１に示した第１の実施形態に係る装置１において、素子１４と遮光板１３の代わりに、受光素子３４（以下、「素子３４」と称する）を用いたプローブ変位計測装置である。
【００５７】
素子３４は、素子１４と同様、２分割の受光素子である。すなわち、素子３４は直線状の分割線３４１によって分割された、２つの受光面（第１の受光面３４ａおよび第２の受光面３４ｂ）を有している。しかし、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、素子３４は分割線３４１とｙｚ平面とが直交するように配置されている。換言すれば、素子３４は第１の実施形態に係る素子１４をｘｙ平面内において９０度回転させて配置した状態にある。
【００５８】
図３（ｂ）および図３（ｃ）は、反射光１０５が素子３４上にスポット３５１として投影されている様子を模式的に示している。スポット３５１は素子３４上において、プローブ１１の変位に伴って第１の実施形態と同様、ｙ方向に変位する。従来の方法では、スポット３５１の素子３４上におけるｙ方向の変位を、式（２）または式（３）を用いてそのまま取得していた。
【００５９】
上述のとおり、式（２）または式（３）を用いてスポット３５１の素子３４上における変位（位置）を一意に決定するためには、スポット３５１が常に分割線３４１上に存在していることが必要である。したがって、図３に示すような従来の光てこ方式を利用した装置３によって計測が可能な条件は、以下の式で表される。
Δｙ≦ｈ／２      式（５）
【００６０】
ここで、スポット３５１のｙ方向の長さをｈ、スポット３５１の分割線３４１からの変位量をΔｙとする。
【００６１】
一方、プローブ１１のｙｚ平面内における変位が大きくなった場合、図３（ｃ）のように素子３４上におけるスポット３５１の変位量も大きくなる。このとき、図３（ｃ）に示すように、スポット３５１が分割線３４１上に存在しなくなる場合が生じる。すなわち、式（５）を満たさなくなる。このような場合には、装置３ではスポット３５１の素子３４上における位置を正確に計測することができないため、プローブ１１のｙｚ平面内における変位を正確に計測することができない。このように、従来の光てこ方式を利用した装置３では、プローブ１１の大きな変位を計測することが困難であった。
【００６２】
なお、素子３４を照射部１０４に十分近づけて配置することによって、スポット３５１の素子３４上における変位量を小さくすることはできる。これにより、理論上はプローブ１１の変位が大きい場合についても、プローブ１１の変位を計測することができる。しかし現実的には、素子３４を照射部１０４に近づけると、プローブ１１の周囲に配置された他の部品や計測装置と物理的に干渉してしまったり、プローブ１１の変位を妨げたりしてしまうという不具合を生じる。そのため、素子３４とプローブ１１とはある程度離して配置することが好ましい。
【００６３】
一方、第１の実施形態に係る装置１によれば、プローブ１１の変位が大きい場合であってもプローブ１１の周囲に配置された他の部品等に干渉しない位置に素子１４を配置することができる。したがって、設計の自由度を保ちつつ、プローブ１１の大きな変位を計測することのできるプローブ変位計測装置を提供できる。
【００６４】
第１の実施形態では、スリット状の透過部１３１を有する遮光板１３を用いる形態について述べたが、遮光板１３を使用しない方法もある。その場合は、図２（ｅ）に示すような、平行四辺形型の外形を有する２分割型の受光素子１４０を用いてもよい。
【００６５】
受光素子１４０は、素子１４と同様に直線状の分割線１４２によって分割された２つの受光面（１４０ａおよび１４０ｂ）を有する。図２（ｅ）の受光素子１４０の外形は、第１の実施形態に係る遮光部１３１の外形と同じ形状である。そして、受光素子１４０の２つの受光面（１４０ａおよび１４０ｂ）は、分割線１４２を介して隣接している。そして装置１において、ｙｚ平面内に分割線１４２が存在するように受光素子１４０を配置することで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態に係るプローブ変位計測装置４（以下、「装置４」と称する）について説明する。以下、第１の実施形態と共通する部分の説明は割愛し、第２の実施形態に特有の構成について説明を行う。
【００６７】
装置４の構成について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る装置４の構成を模式的に示す図である。本実施形態に係る装置４は、第１の実施形態に係る装置１の素子１４および遮光板１３の代わりに、受光素子４４（以下、「素子４４」と称する）および遮光板１３を有する。それ以外の構成については装置１と同様である。
【００６８】
素子４４は図４（ｂ）に示すように、素子１４と同様、直線状の分割線４４１によって分割された２つの受光面（第１の受光面４４ａと第２の受光面４４ｂ）を有する受光素子である。第１の実施形態では素子１４を、ｙｚ平面上に分割線１４１が存在するように配置していたのに対して、本実施形態では素子４４を、分割線４４１がｙｚ平面と交差するように配置する。換言すれば、分割線４４１とｙ軸とがなす角が０°より大きく９０°より小さくなるように、素子４４を配置する。すなわち、素子４４は素子１４をｘｙ平面内で０°より大きく９０°より小さい角度だけ、任意の方向に回転させたものである。
【００６９】
遮光板４３は図４（ｃ）に示すように、遮光板１３と同様、スリット状の透過部４３１と遮光部４３２とを有する遮光板である。第１の実施形態では透過部１３１を、スリット長さ方向とｙｚ平面とがなす角が０°より大きく９０°より小さくなるように設けたのに対して、本実施形態では透過部４３１を、スリット長さ方向とｙｚ平面とが平行になるように設ける。このとき、透過部４３１のスリット長さ方向に平行な中心線とプローブ１１の中心軸とが同一平面上に存在するように、遮光板１３を配置することが好ましい。これにより、遮光板１３とプローブ１１の配置調整が容易になる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る素子４４上における反射光１０５の挙動について、図５を用いて説明する。ここでは、照射部１０４の形状が曲面であり、照射光１０３のスポットの形状が図１の紙面奥行き方向（ｘ方向）に長軸を有する楕円形である場合について説明する。なお、照射光１０３のスポットの形状や照射部１０４の形状はこれに限定されるものではない。
【００７１】
図５（ａ）は、遮光板４３を反射光１０５の光路上に配置しなかった場合を示している。照射部１０４が曲面である場合には、反射光１０５のスポットの形状は図５（ａ）に示すように、放物線状の帯状となる。プローブ１１がｙｚ平面内で変位すると、素子４４上に投影された反射光１０５のスポット４５１はｙ軸方向に変位する。
【００７２】
図５（ｂ）は、本実施形態に係る遮光板４３を模式的に示す図である。図５（ｂ）に示すように、遮光板４３を反射光１０５の光路上の照射部１０４と素子４４との間に配置すると、反射光１０５は遮光板４３上にスポット４５２として投影される（図５（ｂ））。遮光板５３は、遮光板５３上に投影されたスポット５５２のうち、遮光部５３２に投影された光を遮光し、透過部５３１に投影された光を選択的に透過させる。
【００７３】
プローブ１１が図４（ａ）の矢示Ａ１方向に変位すると、それに伴って素子４４上におけるスポット４５２の位置もｙ軸方向に変位する。したがって、プローブ１１の自由端１１ｂが振動している場合には、スポット４５２はスポット４５２ａからスポット４５２ｃの間で振動する。なお、スポット４５２ｂはプローブ１１の変位がゼロの場合（自由端１１ｂの位置が振動の中心位置にある場合）に対応する。そして、スポット４５２ａおよびスポット４５２ｃはそれぞれ、プローブ１１の自由端１１ｂの位置が最も高い位置にある場合と最も低い位置にある場合に対応する。
【００７４】
本実施形態では、素子４４と遮光板４３とを、反射光１０５の入射方向から見ると図５（ｃ）のようになるようにして配置する。このように配置することで、遮光板４３の透過部４３１に投影された部分の光のみが遮光板４３を透過し、素子４４状にスポット４５３として投影される（図４（ｄ））。
【００７５】
なおこのとき、放物線状のスポット４５１の頂上部が透過部４３１のスリット幅方向の中央にくるように、遮光板４３の装置４における位置を調整することが望ましい。これにより、スポット４５３の形状を左右対称な形状とすることができ、素子４４上におけるスポット４５３の位置を取得しやすくなる。また、透過部４３１のスリット幅は、遮光板４３上におけるスポット４５１の位置にかかわらず、素子４４上において分割線４４１上に存在できるように十分な広さを有することが好ましい。
【００７６】
本実施形態においても第１の実施形態と同様に、式（２）または式（３）の演算結果をもとにスポット４５３の素子４４上における位置を取得することができる。そして、その結果をもとに、プローブ１１の変位を計測することができる。そしてこのとき、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、遮光板４３を用いることで反射光１０５の素子４４上におけるスポットの縦方向の変位量４０１を横方向の、より小さな変位量４０２に圧縮することができる。これにより、２分割のフォトダイオードなど、素子４４上におけるスポットの限られた変位量しか計測できないような素子４４を用いた場合であっても、プローブ１１の大きな変位の計測を行うことができる。
【００７７】
このように本実施形態によれば、ｙｚ平面に対して傾斜して配置した素子４４と、遮光板４３とを用いることで、プローブ１１の大きな変位を計測することができる。
【００７８】
ここでは、スリット状の透過部４３１を有する遮光板４３１を用いる形態について述べたが、遮光板４３を使用しない方法もある。その場合は、図４（ｅ）に示すような２分割の受光素子４４０を用いればよい。
【００７９】
受光素子４４０は、素子４４と同様、直線状の分割線４４２によって分割された２つの受光面（４４０ａおよび４４０ｂ）を有する。図４（ｅ）の受光素子４４０の外形は、第２の実施形態に係る遮光部４３１の外形と同じ形状である。そして、受光素子４４０の２つの受光面（４４０ａおよび４４０ｂ）は、分割線４４２を介して隣接している。そして装置４において、受光素子４４０の長さ方向がｙ軸と並行となるように受光素子４４０を配置することで、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
また、本実施形態のようにプローブ１１の照射部が曲面である場合は反射光１０５のスポット形状が楕円形よりも複雑な形状となる。そのため、従来の光てこ方式を用いた変位の検出は困難になる。しかし、本実施形態や第１の実施形態のように、スリット状の遮光部を有する遮光板を用いて反射光１０５を切り出すことで、受光素子上における反射光１０５のスポットの位置を取得することができるようになる。
【００８１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明を適用したプローブ変位計測装置を備えたイオン化装置を含む情報取得システムの構成について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る情報取得システム６００の構成を模式的に示す図である。
【００８２】
本実施形態に係るイオン化装置６０（以下、「装置６０」と称する）は、プローブ変位計測装置６（以下、「装置６」と称する）と、試料６６１を保持するステージ６１と、液体供給手段６２と、イオン取込部６３と、電界発生手段６４と、制御部６８と、を有する。装置６の構成は、装置１や装置４の構成と同様である。
【００８３】
イオン取込部６３は、電界発生手段６４を構成する電圧印加装置６４ａに接続されたイオン引出電極６３１を有する。また、イオン取込部６３は質量分析部６５に接続され、イオン取込部６３から取り込んだイオンを質量分析部６５へと移送可能に構成してある。
【００８４】
本実施形態に係る装置６０において、試料６６１は、基板６６２上に載置された状態で、ステージ６１上に載置される。ステージ６１はステージ制御手段６１１に接続されている。ステージ６１は、試料６６１をステージ６１に対して水平な方向（ＸＹ方向）に移動させるためのＸＹステージ６１ａと、試料６６１をステージ６１に対して垂直な方向（Ｚ方向）に移動させるためのＺステージ６１ｂを有する。また、ステージ制御手段６１１は、ＸＹステージ６１ａを移動制御するためのＸＹ制御部６１１ａと、Ｚステージ６１ｂを移動制御するためのＺ制御部６１１ｂを有する。なお、Ｚ制御部６１１ｂはＺステージ６１ｂをＺ方向に振動させることもできる。
【００８５】
すなわち、ＸＹ制御部６１１ａとＸＹステージ６１ａは、プローブ１１と試料６６１の表面とをＸＹ方向に相対的に走査するＸＹ走査手段である。また、Ｚ制御部６１１ｂとＺステージ６１ｂは、プローブ１１と試料６６１との間の距離をＺ方向に変化させるＺ走査手段（距離変化手段）である。なお、本実施形態ではＸＹ走査手段およびＺ走査手段として、試料６６１を移動させることによって試料６６１とプローブ１１とを相対的に走査する手段を採用したが、これに限定はされない。すなわち、プローブ１１をＸＹ方向またはＺ方向に移動させる手段によって、ＸＹ走査手段およびＺ走査手段を実現してもよい。
【００８６】
プローブ１１は、その内部もしくは外部に流路（不図示）を有する。液体供給手段６２から供給された液体はプローブ１１の流路（不図示）を通り、プローブ１１の自由端１１ｂ近傍に移動する。その後、プローブ１１の自由端１１ｂが試料６６１に近づくと、試料６６１の表面の一部の領域に液体が配置される。試料６６１の表面の一部の領域に配置された液体は、試料６６１とプローブ１１の自由端１１ｂとの間で液架橋６６３を形成する。
【００８７】
なお、本明細書において「液架橋」とは、プローブ１１から供給された液体が、少なくとも、プローブ１１および試料６６１の両方に物理的に接触している状態の液体のことを指す。液架橋６６３は、液体の表面張力等によって形成される。液架橋６６３には試料６６１に含まれる物質が溶解する。本実施形態において、液架橋６６３は大気圧環境下で形成される。本実施形態に係る液架橋６６３の体積は微量であり、１×１０−１２ｍＬ程度である。液架橋６６３は、試料６６１の表面上の微小領域上に配置され、この液架橋６６３の、試料６６１の表面上における面積は、１×１０−８ｍ２程度の面積である。
【００８８】
液体供給手段６２から供給する液体としては、試料６６１に含まれる被分析物質を溶解することのできる溶媒を用いることが好ましい。なおこのとき、溶媒に予め被分析物質を溶解させた溶液を、液体供給手段６２から供給する液体として用いてもよい。液架橋６６３を形成すると、液架橋６６３を形成する液体中に試料６６３の表面に含まれる物質が溶解する。なお、液架橋６６３は、プローブ１１から供給される液体の量が不足している場合や、液体が自由端１１ｂの基板６６２の反対側に付着している場合には形成されない。
【００８９】
また、液体供給手段６２から供給する液体は導電性の流路（不図示）を経由してプローブ１１の内部または外部の流路（不図示）へと導かれる。その際、電圧印加手段６４ｂは導電性の流路（不図示）を介して液体に電圧を印加する。液体に印加する電圧の種類は特に限定はされず、直流電圧、交流電圧、パルス電圧、あるいはゼロボルトのいずれであっても良い。
【００９０】
本実施形態ではこのように、後述するイオン引出電極６３１に印加する電圧とは異なる電圧をプローブ１１の流路を通る液体に印加することで、該液体が接するプローブ１１の自由端１１ｂと後述するイオン引出電極６３１との間に電界を形成する。なお、この電界を形成することができる限りにおいて、電圧印加手段６４ｂが印加する電圧はゼロボルトであってもよい。なお、電圧が印加された液体の電位と、電圧が印加されたイオン引出電極６３１の電位との間の電位差は、０．１ｋＶ以上１０ｋＶ以下となるようにすることが好ましく、より好ましくは３ｋＶ以上５ｋＶ以下である。電位差をこの範囲内の値とすることで、後述するエレクトロスプレーの発生によるイオン化を効率的に行うことができる。
【００９１】
プローブ１１としては、微小体積の液体を供給することのできる細管を用いることが好ましい。この細管の材質は特に限定はされず、絶縁体、導電体、半導体のいずれであってもよい。プローブ１１として、例えばシリカキャピラリやメタルキャピラリを好適に用いることができる。なお、導電性の流路（不図示）は、液体供給手段６２から供給された液体がプローブ１１の内部または外部の流路を通り、プローブ１１の自由端１１ｂまで導かれる流路全体のうちの一部分を構成すればよく、その位置は特に限定はされない。例えば、プローブ１１の内部または外部の流路や、プローブ１１と液体供給手段６２とを接続するための配管に、導電性の流路の全部又は一部分が包摂されていてもよい。
【００９２】
さらに、図６では液体供給手段６２がプローブ１１と物理的に接続されている構成を示しているが、これらは空間的に離間していてもよい。例えばプローブ１１から空間的に離れた液体供給手段６２から、プローブ１１に向かってインクジェット法によって液体を吐出して飛翔させ、プローブ１１に付着させることもできる。
【００９３】
振動子１０２は、プローブ１１に振動を提供する手段である。振動子１０２によって振動を提供されたプローブ１１の自由端１１ｂが振動する。なお、本明細書においてプローブ１１が振動するとは、プローブ１１の自由端１１ｂの位置が空間的に変位するようにプローブ１１が運動することをいう。特に、図６に示すようにプローブ１１の長軸方向と交差する方向に、プローブ１１を屈曲振動させることが好ましい。この振動によって、プローブ１の自由端１１ｂと試料６６１との間の距離が周期的に変化する。
【００９４】
振動子１０２の種類は、電圧印加装置１０２１から電圧が印加されたときに、再現性のある一定の振幅を有する振動を示すものであれば、特に限定はされない。例えば振動子１０２として、圧電素子や振動モータなどを用いることができる。圧電素子や振動モータなどは、高振動数の振動の提供が可能であり、かつ耐久性が高いため、本実施形態に係る振動子１０２として適している。
【００９５】
振動子１０２を配置する位置は、プローブ１１に振動を伝達できる位置である限り、特に限定はされない。なお、振動子１０２はプローブ１１が静止している状態で、必ずしもプローブ１１に接触している必要はない。しかしその場合は、プローブ１１の振動の１サイクルのうちのいずれかの時点で、振動伝達のためにプローブ１１に接触する必要がある。なお、複数の振動子１０２を対向させ、プローブ１１を挟むように配置しても良い。これにより、プローブ１１に安定して振動を与えることができる。
【００９６】
なお、本実施形態では振動子１０２がプローブ１１を振動させる方法として、振動子１０２そのものが振動し、その振動を伝達することによってプローブ１１を振動させる形態とした。しかし、例えばプローブ１１の材質を圧電素子等で構成し、プローブ１１に電圧を印加することによってプローブ１１を振動させても良い。あるいは、振動子１０２によってプローブ１１に磁場を印加することによってプローブ１１を振動させる形態としても良い。
【００９７】
試料６６１との間に液架橋６６３が形成されたプローブ１１に対して振動子１０２によって振動を伝達すると、液架橋６６３を形成していた液体がプローブ１１の自由端１１ｂに付着したまま、プローブ１１が振動する。すなわち、プローブ１１が振動することにより、プローブ１１と試料６６１とが液体を介してつながった状態と、プローブ１１と試料６６１とが離れた状態と、を分離して発生させることができる。
【００９８】
振動によりプローブ１１が試料６６１から離れた状態では、液架橋６６３を形成していた液体は、イオン引出電極６３１を有するイオン取込部６３に近づく。このとき、イオン引出電極６３１には、電圧印加装置６４ａによってプローブ１１に印加されている電圧とは異なる電圧が印加されている。つまり、自由端１１ｂに付着した液体とイオン引出電極６３１との間には電界が形成されている。
【００９９】
この電界により、液体はプローブ１１のイオン取込部６３側の側面に移動し、テイラーコーン６６４を形成する。なお、図６ではプローブ１１の長軸方向を形成する連続面上にテイラーコーン６６４が形成されている。しかし、テイラーコーン６６４が形成される位置はイオン引出電極６３１と液体の間の電界や、プローブ１１の液体との濡れ性等によって影響を受けるため、これ以外の面を含む位置にテイラーコーン６６４が形成されても良い。
【０１００】
テイラーコーン６６４の先端部分では電界が大きくなり、液体からエレクトロスプレーが発生し、微小な帯電液滴６６６が発生する。帯電液滴６６６はイオン引出電極６３１と液体との間に発生された電界により、イオン引出電極６３１へ向かって飛翔する。電界の大きさを適当に設定することで、帯電液滴６６６がレイリー分裂を生じ、特定の成分のイオンを発生させることができる。帯電液滴６６６やイオンは気流の流れと電界に従ってイオン取込部６３へと導かれる。このとき、テイラーコーン６６４を形成する溶液の周囲の電界がプローブ１１の振動に伴って変化するように、プローブ１１の振動はイオン取込部６３に近接する方向への運動を含むことが好ましい。また、イオン取込部６３は室温から数百℃の間の特定の温度に加熱しておくことが好ましい。これにより、微小な帯電液滴６６６からの溶媒の蒸発を促進させ、イオンを発生効率を上昇させることができる。
【０１０１】
ここで、レイリー分裂とは、帯電液滴６６６がレイリー極限に達し、帯電液滴６６６中の過剰な電荷が二次液滴として放出される現象のことをいう。テイラーコーン６６４の先端部分から帯電液滴６６６を含むエレクトロスプレーが発生してレイリー分裂が生じると、帯電液滴６６６に含まれる成分が気相イオンとして発生することが知られている。また、エレクトロスプレーが発生するしきい値電圧ＶｃはＶｃ＝０．８６３（γｄ／ε０）０．５（ここで、γ：液体の表面張力、ｄ：液体とイオン引出電極間の距離、ε０：真空の誘電率）であることが知られている（Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，Ｖｏｌ．５８，１３９−１５４，２０１０）。
【０１０２】
本実施形態においては、プローブ１１が、試料６６１の表面上の微小領域への液架橋６６３の形成手段であり、イオン化のためのテイラーコーン６６４の形成手段となっている。本実施形態に係る装置６０は、試料６６１の表面上の微小領域に存在する物質の選択的なイオン化を高速に行なうことができることが特徴である。試料６６１の表面上の物質を高速にイオン化するために、プローブ１１を高速で振動させることが好ましい。
【０１０３】
また、本発明に係る装置６０の他の特徴は、エレクトロスプレーの発生および停止のタイミングを制御することができることにある。そのため、プローブ１１の自由端１１ｂと試料６６１との間に液架橋６６３が形成されるタイミングと、エレクトロスプレーが発生するタイミングとが明確に分離されていることが好ましい。これにより、液架橋６６３が形成されている間はエレクトロスプレーが発生せず、この間は液架橋６６３を形成する液体に電荷が供給されるだけとなる。その後プローブ１の端部がイオン引出電極６３１へと接近してエレクトロスプレーが発生する際には、液体に十分な電荷が蓄積されているために効率的にエレクトロスプレーを発生させることができる。そのためには、プローブ１１の振幅を大きくすることが好ましい。
【０１０４】
なお、本明細書では大気圧下におけるイオン化について記載したが、減圧下におけるイオン化にも応用することができる。また、本実施形態に係る装置６０によるイオン化の対象となる試料６６１中の物質も特に限定はされない。微小領域中の物質を大気圧下でソフトにイオン化できることから、本実施形態に係る装置６０は、脂質、糖、蛋白質などの生体分子を含む生体試料のイオン化に特に好適に用いることができる。
【０１０５】
装置６は、第１の実施形態または第２の実施形態に記載の方法によって、プローブ１１の変位を計測する。また、プローブ１１が振動している場合には、その振幅や周波数、位相を取得する。これらのプローブ１１の変位に関する情報は、制御部６８へと送信される。
【０１０６】
制御部６８はプローブ１１の変位に関する情報を取得し、その情報に基づいてＸＹ制御部６１１ａまたはＺ制御部６１１ｂまたは電圧印加装置１０２１へと制御信号を出力する。具体的には、振動子１０２によって振動子１１を振動させていない場合には、プローブ１１の変位が一定となるように、Ｚ制御部６１１ｂに制御信号を出力する。また、振動子１０２によって振動子１１を振動させている場合には、プローブ１１の振幅が一定となるように、Ｚ制御部６１１ｂまたは電圧印加装置１０２１に制御信号を出力する。
【０１０７】
このように、制御部６８にはフィードバック回路を設けることが好ましい。上述のフィードバック制御を行うことで、プローブ１１の安定な振動状態を自動的に維持できるように調整することができる。また、装置６０内部の電気配線、部品等が有する電気容量等により、プローブ１１やＺステージ６１ｂの振動のタイミングに微小時間のずれが生じることがある。この場合には、フィードバック回路にタイミングを制御するために遅延回路を設けることで、制御信号と実際のプローブ１１およびＺステージ６１ｂの振動のタイミングのずれを補償することができる。
【０１０８】
このようなフィードバック制御は、表面に凹凸のある試料６６１について、プローブ１１で試料６６１の表面をＸＹ方向に走査しながらイオン化を行う際に特に有用である。例えばプローブ１１を振動させながらイオン化を行う場合においては、上述のフィードバック制御を行うことで、プローブ１１の振動の周期の中における、液架橋６６３の形成時間とテイラーコーン６６４の形成時間とを常に一定に保持することができる。これにより、試料６６１の表面上における各ＸＹ座標における、イオン化の条件をそろえることが可能となる。装置６によるイオン化では、液架橋６６３に対する試料６６１の溶解と、エレクトロスプレーの発生の条件によって、イオン化される物質が変わってしまう可能性がある。そのため、上述のようにフィードバック制御によってイオン化の条件をそろえることで、装置６の安定的な動作が可能となる。
【０１０９】
また、プローブ１１の自由端１１ｂと試料６６１との間の距離を適切な距離に保つことで、プローブ１１の自由端１１ｂが試料６６１に衝突して試料６６１を損傷してしまうことを抑制することができる。
【０１１０】
また、上述のフィードバック制御を行うことで、試料６６１の表面上の凹凸構造に沿って、プローブ１１を走査することができる。つまり、本実施形態に係る装置６０によれば、プローブ１１のＸＹ走査に伴うＺ座標を記録することで、試料６６１の表面形状の情報も取得することができる。
【０１１１】
本実施形態に係る情報取得システム６００（以下、「システム６００」と称する）は、装置６０と、質量分析部６５と、イオン数計測部６７と、画像データ生成部６９と、表示部７０と、を有する。なお、本発明は装置６０と質量分析部６５とを有する質量分析装置にも適用することができる。
【０１１２】
ここで、イオン数計測部６７は質量分析部６５に内蔵されていてもよい。あるいは、質量分析部６５にイオン数計測部６７に外部から接続してもよい。いずれの場合であっても、イオン取込部６３から移送され、質量分析部６５に導入されたイオンの数を計測することができる。また、イオン数計測部６７はゲート信号の入力端子を内蔵している。この入力端子に適切な信号を入力することにより、イオン数計測部６７の駆動を制御することができる。
【０１１３】
イオン数計測部６７としては、マイクロチャンネルプレートなどのイオン検出器と電気信号の計測器（例えばＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）やＴＤＣ（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ））を用いることができる。また、イオン検出器と電気信号の計測器の間には電気信号の波形を調節するための装置（例えばディスクリミネータや増幅回路）を設けることもできる。なお、イオン数計測部６７の有するゲート信号の入力端子は、電気信号の計測器に内蔵されている。
【０１１４】
制御部６８は、試料６６１の表面におけるイオン化すべき部分を特定する機能を有する。言い換えれば、制御部６８は、試料６６１の表面において質量分析部６５が分析すべき部分を特定する機能を有する。そして制御部６８は、特定した部分に存在する試料６６１中の物質が液架橋６６３を介してテイラーコーン６６４に含まれるように、ＸＹステージ６１ａおよびＺステージ６１ｂによって試料６６１の位置を移動させる。
【０１１５】
装置６０において発生したイオンは、差動排気系を通じて質量分析部６５へ導入される。そして、質量分析部６５においてイオンの質量電荷比が計測される。質量分析部６５としては、四重極型質量分析計、飛行時間型質量分析計、磁場偏向型質量分析計、イオントラップ型質量分析計、イオンサイクロトロン型質量分析計など任意のものを利用することができる。また、イオンの質量電荷比（質量数／電荷数）とイオンの発生量の相関を計測することで、質量スペクトルを得ることもできる。
【０１１６】
一般にイオン数計測部６７は、質量分析部６５が出力するトリガ信号を断続的に受信し、トリガ信号受信後にイオン数を計測する。トリガ信号としては、質量分析部６５中のイオン分離部の構成によって異なる信号を用いる。
【０１１７】
例えば、質量分析部６５として四重極型質量分析計を用いた場合、四重極電極への高周波電圧の印加を開始する時のタイミングを示す信号をトリガ信号として用いる。また、質量分析部６５として飛行時間型質量分析計を用いた場合、イオンの飛行時間を計測するためにイオンを加速する際に印加するパルス電圧の、印加の開始するタイミングを示す信号をトリガ信号として用いる。また、質量分析部６５として磁場偏向型質量分析計を用いた場合、セクタ型電極への磁場の印加を開始するタイミングを示す信号をトリガ信号として用いる。また、質量分析部６５としてイオントラップ型質量分析計を用いた場合、イオントラップへイオンを導入するタイミングを示す信号をトリガ信号として用いる。
【０１１８】
本実施形態に係る演算手段１５は、式（２）または式（３）で示される電圧値の差分が閾値よりも大きくなっている時間を取得する。このようにして取得した時間は、プローブ１１の自由端１１ｂがイオン引出電極６３１に接近している時間であり、テイラーコーン６６４が形成され、イオンが発生している時間であると考えられる。なお閾値は、プローブ１１のばね定数や長さ、振動子１０２が付与する振動の振幅などに基づいて任意の値に設定することができる。演算手段１５は、取得した時間に対応するイオン発生タイミングを示す信号を、制御部６８に出力する。
【０１１９】
制御部６８にイオン発生タイミングを示す信号が入力されると、制御部６８はイオン数計測部６７のゲート信号の入力端子へと電圧パルスを出力する。イオン数計測部６７は、ゲート信号の入力端子へ信号が入力されている間のみ、イオンの数を計測する。これにより、装置６０においてイオンが発生している時間にのみ、イオン数計測部６７を動作することができる。すなわち、制御部６８は、プローブ１１の変位に基づいて、イオン数計測部６７の動作タイミングを制御する。その結果、イオンが発生していないタイミングにおける無駄な計測を行わずに済む。ここでイオンが発生していないタイミングとは、具体的には、液架橋６６３が形成されている間や、液架橋６６３が形成されてからテイラーコーン６６４が形成されるまでの間などを指す。これにより、得られる計測データの信号に含まれるノイズ信号を低減させることや、計測データのデータサイズを小さくすることができる。
【０１２０】
また、ＸＹ制御部６１１ａによってＸＹステージ６１ａの位置を制御してイオン化を行うことにより、試料６６１のうち特定のＸＹ座標における微小領域に含まれる試料６６１をイオン化することができる。そして、画像データ生成部６９は、イオン化を行ったときの自由端１１ｂの試料６６１に対するＸＹ平面上の位置の情報（各座標（Ｘ，Ｙ））と、その位置において質量分析部６５によって分析した質量の情報（質量スペクトル）と、を統合する。すなわち画像データ生成部６９は、質量スペクトルの二次元分布データである、質量画像データを生成する。なおこの方法で得られるデータは、微小領域の座標（Ｘ，Ｙ）および質量スペクトル（ｍ／ｚ，イオン数）により構成される４次元データとなる。
【０１２１】
このようにして取得した質量画像データをもとに、任意の質量電荷比におけるイオン量をＸＹ平面上にマッピングすることで、その質量電荷比の成分の分布を示す画像データを生成することもできる。これにより、試料６６１の表面上の特定の成分の分布を捉えることができる。あるいは、質量スペクトルデータに主成分分析や独立成分分析などの多変量解析を施すことで、試料６６１に含まれる物質や組成、組織の分布を示す画像データを生成することもできる。なお、これらの画像データの生成は、画像データ生成部６９において行う。
【０１２２】
画像データ作成部６９はさらに、演算手段１５から入力されるプローブ１１の振動情報に基づいたフィードバック制御信号、すなわちＺ制御部６１１ｂの制御量から試料６６１の表面のＺ座標を取得する。また、制御部６８から試料表面６６１の表面のＸＹ座標を取得する。画像データ生成部６９はこれらの情報を統合し、試料６６１の表面形状を示す画像データ（構造情報）を生成する。さらにこの３次元画像データをもとに、画像表示するための２次元画像データを生成する。例えば、Ｚ座標の値ごとに異なる色で塗り分けた画像データや、３次元画像データ任意のＺ座標のＸＹ平面で切り出したスライス画像データを生成する。
【０１２３】
画像データ生成部６９が生成した画像データは、フラットパネルディスプレイなどの画像表示部７０に入力され、画像表示される。なお画像データは、二次元画像でも三次元画像でも良い。なお、画像表示部７０の代わりにプリンターなどの画像形成部に画像データを出力してもよい。
【０１２４】
なお、試料６６１に含まれる物質等の分布を示す画像データにおいては、物質が存在する位置だけでなくその量も併せて表示することができる。その際、量の違いは色や明るさの違いによって表示することができる。また、試料６６１中に異なる種類の物質等が複数存在する場合は、それぞれの物質を異なる色で表示し、各物質の量の違いを明るさで表示した画像とすることもできる。また、試料６６１の光学顕微鏡画像を予め取得しておき、本実施形態に係るシステム６００で生成した画像と重ね合わせて表示してもよい。さらに、試料６６１の表面形状を示す画像（凹凸画像）を同時に表示してもよい。
【０１２５】
以上のように本実施形態によれば、試料６６１の成分分布情報を取得するとともに、試料の表面形状情報を取得することができる。
【０１２６】
（実施例１）
図１に記載のプローブ変位計測装置を用いて、プローブの変位を計測した。
【０１２７】
プローブとしては、円筒型のガラスキャピラリを用いた。なお、プローブの根元部分（固定端側）はピエゾ素子に固定し、ピエゾ素子を励振することでプローブを振動させた。
【０１２８】
プローブの変位を計測するために、半導体レーザ光をプローブの表面に集光照射し、その反射光を４分割型シリコンフォトダイオード（浜松ホトニクス社製、Ｓ５９８１）上にスポットとして投影した。このとき、図１のように、反射光の光路上に遮光板を配置した。遮光板としては、一部をスリット状にくりぬくことで透過部を形成した黒色のプラスチック板を用いた。なおこのとき、スリットの長軸方向とスポットの変位方向とがなす角が１０°になるように、遮光板を配置した。
【０１２９】
遮光板を配置せずに反射光をフォトダイオード上に投影させたところ、そのスポットはプローブの曲面形状を反映して、放物線状の帯状のスポットとなった。本実施例では上述の遮光板を配置することで、反射光の一部を切り出し、フォトダイオード上に平行四辺形のスポットを投影した。
【０１３０】
フォトダイオードの４つの受光面のうち、隣接する受光面を２つずつ用いて、式（３）の電圧信号を生成した。プローブを振動させてプローブの変位の計測を行った結果を、図７（ａ）に示す。図７（ａ）は、本実施例における計測結果（オシログラフ）である。なお、図７（ａ）の各オシログラフは、横軸が時間、縦軸が電圧を示している。
【０１３１】
信号Ａは、プローブ励振用のピエゾ素子への入力信号を示している。信号Ａのように、ピエゾ素子にはサイン波の信号を入力した。
【０１３２】
信号Ｂは、プローブの振動方向に垂直な方向に隣接し合う受光面を２つずつ用いて、式（３）の電圧信号を生成した際の電圧信号を示している。すなわち、従来例の光てこ方式による計測結果に相当する。また信号Ｃは、プローブの振動方向に隣接し合う受光面を２つずつ用いて、式（３）の電圧信号を生成した際の電圧信号を示している。すなわち、本実施形態１に係る計測結果に相当する。
【０１３３】
プローブ励振用のピエゾ素子への入力信号としてサイン波を入力したため、プローブの振動もサイン波に類似した振動状態を示すと考えられる。しかし、信号Ｂは矩形波に近い形状となった。すなわち、信号Ｂでは時間領域７０１、７０２に代表的に示すように、電圧値が一定となる時間領域が発生した。これはすなわち、信号Ｂではフォトダイオード上のスポットの変位を正確に捉えられていないことを示している。ただし、信号Ｂにおいても遮光板を用いずに計測を行った場合よりは広い範囲のプローブの振幅を捉えることができた。
【０１３４】
一方、信号Ｃはサイン波に近い波形を示し、信号Ａと同一の周期で電圧値が変化していた。しかし信号Ｃは完全なサイン波ではなく、図７（ａ）に示すように、ずれ７０３が認められた。
【０１３５】
図７（ｂ）は、実施例１と同様のモデルを作成し、得られる電圧信号をシミュレーションによって計算した結果である。その結果、実験的に得られた信号Ｃと同様の結果が得られた。これは、プローブとして円筒型のプローブを用いたために、プローブの曲面状の位置の違いによって反射光の強度がわずかに異なり、遮光板によって反射光を切り出した際に、異なる反射位置からの反射光を切り出したことに起因すると考えられる。
【０１３６】
以上のように、プローブの変位方向に対して、長軸方向が傾斜したスリットを有する遮光板を用いることで、プローブの変位が大きい場合についても変位の計測ができる。
【０１３７】
（実施例２）
図６に記載の画像生成システムを用いて、試料表面の成分分布と構造情報の同時計測を行った。
【０１３８】
ここで、プローブの振動状態の計測は、実施例１のプローブ変位計測装置を用いて行った。プローブ変位計測装置から出力された差分信号の振幅値を計測し、予め設定しておいた振幅値と実際の振幅値との差分がゼロになるようにフィードバック制御を行いながら、計測を行った。試料上におけるプローブの位置ごとのイオンの質量スペクトル計測からは成分分布の情報を、フィードバック信号からは構造情報を、それぞれ取得した。
【０１３９】
用いた試料の模式図を図８（ａ）に示す。試料は以下の方法で作成したものを用いた。スライドガラス８０１上に疎水性のポリマー膜のパターン８０２が形成された基板（松浪ガラス社製、マイクロウェルスライド）を用いた。この基板のうち、ポリマー膜８０２がなく、スライドガラス８０１が上面に露出したホール部分に、ウシインスリン水溶液を滴下して風乾させた。このとき用いたインスリン溶液の濃度は、１ｍｇ／ｍｌであり、各ホールに牛インスリン分子を約８５ｐｍｏｌずつ滴下した。なお、疎水性のポリマー膜８０２の厚さは約２０マイクロメートルであり、風乾させて得られたインスリン部８０３の厚さは、数マイクロメートル程度であった。
【０１４０】
プローブにはガラスキャピラリ（Ｎｅｗ  Ｏｂｊｅｃｔｖｅ社製、ＦＳ３６０−５０−５−Ｎ）を用い、プローブに供給する液体として水、メタノール、ギ酸の混合溶媒を用いた。また、プローブの励振周波数は４２５Ｈｚとした。プローブの試料表面上における走査ステップは１００マイクロメートルとした。液体への印加電圧は４ｋＶで、イオン取込部のイオン引出電極への印加電圧は３０Ｖとした。また、イオン取込部は２００度に加熱した。質量スペクトルの計測は正イオンモードで行った。
【０１４１】
図８（ｂ）に試料全域で得られたイオンの質量スペクトルを合算した質量スペクトルを示す。図８（ｂ）に示すように、３つのピーク群（Ｄ，Ｅ，Ｆ）が確認された。データベースとの比較の結果、それぞれがウシインスリンの６価、５価、４価の多価イオンに対応していることが示唆された。
【０１４２】
図８（ｃ）は、最も信号強度が大きかったピーク群Ｅを拡大したものである。ピーク群Ｅには、質量電荷比（ｍ／ｚ）が１１４７から１１４９にかけて複数の同位体ピークが含まれていることが分かる。ここで、各ピーク間の質量電荷比の差を計算すると、０．２となった。このことからこのピーク群Ｅが、５価のイオンであることが確認された。
【０１４３】
図８（ｄ）に、上述の５価イオンの信号強度の二次元分布画像を示す。図８（ｄ）において、信号強度の大きい部分は白く表示されている。図８（ｄ）から、信号強度が強い領域が円形であることから、基板上のホール部分８０３に存在するインスリン分子をイオン化できたことが分かった。
【０１４４】
また、成分分布の計測と同時に、試料の構造情報（凹凸情報）も計測した。その結果を図８（ｅ）に示す。図８（ｅ）において、試料表面の高さが高い部分が明るく、低い部分が暗く表現されている。円形のパターンが周囲よりも低い位置に存在していることから、疎水性ポリマー膜とホール部分がそれぞれ表現されていることが分かった。また、図８（ｄ）と図８（ｅ）とを重ね合わせると、円形のサイズがよく一致しており、成分分布情報と構造情報とを同時に計測できたことがわかった。
【符号の説明】
【０１４５】
１１  プローブ
１２  光源（光照射手段）
１０３  照射光
１０５  反射光
１３  遮光板
１４  受光素子
１４ａ  第１の受光面
１４ｂ  第２の受光面
１４１  分割線
１５  変位取得手段
【図１】
2016128788.tif 000003
【図２】
2016128788.tif 000004
【図３】
2016128788.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016128788.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016128788.tif 000009
【図８】
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