(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計であって、凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する手段と；
前記手段によって前記高分子が揮発され、荷電されている第１の真空排気容器と；
前記容器に置かれて、前記荷電高分子を加速する電気光学手段と；
高電圧電源および前記電気光学手段への電気接続と；
その種々の速度によって前記高分子を分離するための十分な長さを持つ第２の真空排気容器と；
吸収体と１つ以上のフォノンセンサから成り、前記加速高分子の衝突時間を検出するフォノン反応極低温粒子検出器と；それによって前記高分子は前記吸収体においてフォノンを励起し、それによって前記フォノンセンサは前記フォノンを電子信号に変換する；
回転ディスクから成り、検出器の飽和や定温維持装置の加熱を導く低質量分子が前記検出器に衝突しないようにする機械シャッターと；
前記検出器の検出器信号をインピーダンス信号に変換して、さらにデータ処理する前置増幅器装置と；
前記検出器が熱的に連結されている低温指部を持つ低温維持装置、とを備えていることを特徴とする前記質量分析計。
【請求項２】
質量分析計であって；
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する手段と；
前記高分子が前記手段によって揮発され、荷電されている第１真空排気容器と；
前記第１容器に置かれて、前記荷電高分子を事前加速する電気光学手段と；
第１高電圧電源と前記電気光学手段への電気接続と；
所定空間上で一定の強さを有する均質な磁界を発生する電磁石と；
電流源および前記磁界を発生するための前記電磁石への電気接続と；
フィードスルーを介して前記第１容器に接続し、そして前記磁石内部に置かれるが、前記磁石から電気的に絶縁された第２真空排気容器と、この中では、前記荷電高分子はその質量／荷電比によって決定された軌道上を移動する；
前記第２真空排気容器へのフィードスルーを持つ第３真空排気容器と、この中では、前記荷電高分子はその質量／電荷比によって前記磁石において分離された後、加速される；
前記荷電高分子を加速するための第２高電圧電源および前記３つの容器への電気接続と；
１つ以上の吸収体と１つ以上のフォノンセンサアレイを持つ極低温粒子検出器から成り、前記加速高分子の衝突時間と衝突位置を検出するフォノン反応極低温検出器アレイと；
それによって前記高分子は前記吸収体においてフォノンを励起し、それによって前記フォノンセンサは前記フォノンを電子信号に変換する：前記極低温検出器アレイの検出器信号をインピーダンス信号に変換し、さらにデータ処理する前置増幅器装置と；
前記極低温検出器アレイが熱的に連結されている低温指部を持つ低温維持装置と；
前記極低温検出器アレイを前記磁石の漂遊磁界から保護する磁気しゃへい、とを備えていることを特徴とする前記質量分析計。
【請求項３】
質量分析計であって；
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する手段と；
前記手段によって前記高分子が揮発され、荷電されている第１の真空排気容器と；
前記容器に置かれて、前記荷電高分子を加速する電気光学手段と；
高電圧電源および前記電気光学手段への電気接続と；
１つ以上の四重極質量フィルタに置かれて、前記高分子の特定質量を選択する十分な長さの第２の真空排気容器と；
吸引体と１つ以上のフォノンセンサから成り、前記加速高分子の衝突時間を検出するフォノン反応極低温粒子検出器と；それによって前記高分子は前記吸収体においてフォノンを励起し、それによって前記フォノンセンサは前記フォノンを電子信号に変換する；
前記極低温粒子検出器の検出器信号をインピーダンス信号に変換して、さらにデータ処理する前置増幅器装置と；
前記極低温検出器アレイが熱的に連結している低温指部を持つ低温維持装置、とを備えていることを特徴とする前記質量分析計。
【請求項４】
前記極低温粒子検出器の前記吸収体と前記フォノンセンサは同一であり、そして前記励起フォノンは直接に電子信号に変換されることを特徴とする請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項５】
極低温粒子検出器の前記吸収体は単結晶シリコンであることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項６】
前記吸収体は単結晶サファイアであることを特徴とする、請求項１から３までの質量分析計。
【請求項７】
前記吸収体は単結晶ゲルマニウムであることを特徴とする、請求項１〜３までの質量分析計。
【請求項８】
前記フォノンセンサはジェーバーモードで動作する超伝導トンネル接合であり；それによって前記励起フォノンは前記超伝導トンネル接合の超伝導フィルムにおけるクーパー対を破壊し、そして過剰準粒子を発生し；それによって前記過剰準粒子は前記超伝導トンネル接合の絶縁障壁を貫通し、そして前記電子信号を構成する過剰準粒子電流を発生し；それによってＤＣジョセフソン電流を阻止するために、磁石によって超伝導トンネル接合に並列な磁界が与えられる、ことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項９】
前記超伝導トンネル接合は、前記超伝導トンネル接合の対応する超伝導エネルギーギャップより大きい超伝導エネルギーギャップを持つフォノンセンサの領域よりも広い領域の超伝導フィルムの上にデポジットされており；それによって前記過剰フォノンはまず、前記広領域超伝導フィルムに移動し、そこでクーパー対を破壊し、そして前記過剰準粒子を発生し、それらは前記超伝導トンネル接合にトラップされる、ことを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項１０】
前記フォノンセンサは超伝導遷移エッジ温度計であり；それによって前記超伝導遷移エッジ温度計は、その位相遷移温度で動作し、そしてその臨界電流より下の電流によって電気的にバイアスされており；それによって前記超伝導遷移エッジ温度計は前記過剰フォノンのために加熱され；それによって前記加熱は温度を上昇させ；それによって前記温度上昇は超伝導状態を常伝導状態へ位相遷移させ；それによって前記位相遷移は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する、ことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項１１】
前記フォノンセンサは超伝導運動インダクタンス温度計であり；それによって前記超伝導運動インダクタンス温度計はその位相遷移温度で動作し、そしてその臨界電流より下の電流によって電気的にバイアスされており；それによって前記超伝導運動インダクタンス温度計は前記過剰フォノンのために加熱され；それによって前記加熱は温度を上昇させ；それによって前記温度上昇はロンドン侵入距離の変化を生じ；それによって前記ロンドン侵入距離の変化は電子回路のインダクタンスの変化を生じ；それによって前記インダクタンスの変化は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する、ことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項１２】
前記フォノンセンサは超伝導過熱微粒子であり；それによって前記超伝導過熱微粒子はその位相遷移温度で動作し；それによって超伝導過熱微粒子は、前記超伝導過熱微粒子の臨界磁界より小さい値を持つ外部磁界に置かれており；
それによって前記超伝導過熱微粒子は前記過剰フォノンのために加熱され；それによって前記加熱は温度を上昇させ；それによって前記温度上昇は超伝導状態を常伝導状態へ位相遷移させ；それによって前記位相遷移は通常の伝導微粒子への磁界ラインの透過により磁束変化を生じ；それによって前記磁束変化は前記電子信号
を構成するピックアップループ内の電圧信号を発生する、ことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項１３】
前記超伝導過熱微粒子は前記吸収体および前記フォノンセンサとして作用することを特徴とする、請求の範囲12の質量分析計。
【請求項１４】
前記超伝導過熱微粒子は誘電懸濁液における小粒子から成ることを特徴とする、請求の範囲12の質量分析計。
【請求項１５】
前記超伝導過熱微粒子は基板にデポジットされた２次元構造から成ることを特徴とする、請求の範囲12の質量分析計。
【請求項１６】
前記磁石は超伝導磁石であることを特徴とする、請求の範囲２の質量分析計。
【請求項１７】
前記超伝導構造はニオブまたはニオブ合金から成ることを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項１８】
前記超伝導構造はアルミニウムまたはアルミニウム合金から成ることを特徴とする、請求の範囲10の質量分析計。
【請求項１９】
前記超伝導構造はタンタルまたはタンタル合金から成ることを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項２０】
前記超伝導構造はスズまたはスズ合金から成ることを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項２１】
前記超伝導構造はインジウムまたはインジウム合金から成ることを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項２２】
前記超伝導構造は鉛または鉛合金から成ることを特徴とする、請求の範囲８の質量分析計。
【請求項２３】
前記超伝導遷移エッジ温度計はイリジウムと金の層から成ることを特徴とする、請求の範囲10の質量分析計。
【請求項２４】
前記フォノンセンサは半導体サーミスタから成り；それによって前記半導体サーミスタは電流によってバイアスされており；それによって前記過剰フォノンは吸収体を加熱し；それによって前記加熱は温度を上昇させ；それによって前記温度上昇は半導体サーミスタの抵抗を変化させ；それによって前記温度上昇は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する、ことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項２５】
前記前置増幅器は前記極低温粒子検出器の基板上に集積されていることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項２６】
前記集積前置増幅器は超伝導構造から成ることを特徴とする、請求の範囲25の質量分析計。
【請求項２７】
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、マトリックス支援レーザ脱着／イオン化（ＭＡＬＤＩ）技術に基づいていることを特徴とする、請求項１から３までの質量分析計。
【請求項２８】
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、電子スプレイイオン化（ＥＳＩ）技術に基づいていることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項２９】
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、高速原子ボンバードメント（ＦＡＢ）技術に基づいていることを特徴とする、請求の範囲１から３の質量分析計。
【請求項３０】
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、プラズマ脱着（ＰＤ）技術に基づいていることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項３１】
凝集溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、表面増強ニート脱着（ＳＥＮＤ）技術に基づいていることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項３２】
凝縮溶液から高分子を揮発し、荷電する前記手段は、前記高分子がデポジットされている基板を加熱することによって前記高分子を揮発させることに基づいており；それによって前記揮発高分子は別の手段によって荷電されることを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項３３】
加熱することによって高分子を揮発させる前記手段は高周波数フォノン放出技術によって発生されることを特徴とする、請求の範囲32の質量分析計。
【請求項３４】
前記揮発高分子を荷電する前記手段はフォトイオン化によることを特徴とする、請求の範囲32の質量分析計。
【請求項３５】
前記揮発高分子を荷電する前記手段はＸ線イオン化によることを特徴とする、請求の範囲32の質量分析計。
【請求項３６】
前記質量分析計はパルス化動作モードで動作し；それによって前記衝突の空間位置は前記高分子の質量の第１推測値をもたらし；それによって質量の前記第１推測値並びに前記衝突時間は前記高分子の放出時間をもたらし；それによって放出時間の第１推測値と前記衝突時間は、前記衝突時間と前記放出時間の第１推測値との時間差を計算することによって、前記高分子の質量の第２の、より正確な、決定をもたらす、ことを特徴とする、請求の範囲２の質量分析計。
【請求項３７】
２次元サンプルアレイ上に高分子アリコートを持つことを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項３８】
ＤＮＡ配列決定のためにＤＮＡフラグメントの質量を決定することを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項３９】
タンパク質配列決定のためにタンパク質またはタンパク質フラグメントの質量を決定することを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項４０】
タンパク質識別のためにタンパク質またはタンパク質フラグメントの質量を決定することを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項４１】
ポリマー識別のためにポリマーまたはポリマーフラグメントの質量を決定することを特徴とする、請求の範囲１から３までの質量分析計。
【請求項４２】
磁石と、前記磁石による磁界中に置かれた質量分離容器と、前記質量分離容器と外部メカニズムとを接続するフィードスルーおよび検出器装置から成る質量分析計であって、検出器装置はフォノン反応極低温検出器装置から成り、質量分離容器とフィードスルーは、検出器装置の電位Ｕ２とは異なる電位Ｕ１に置かれ、そしてフィードスルーと検出器装置間の領域は磁気しゃへいによって磁石の磁界からしゃへいされている質量分析計。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
この発明は高分子用質量分析計に関する。
従来技術の質量分析計において、生物学的高分子を揮発させ、かつイオン化するためのさまざまな技術を確立することに成功してきた。高速原子ボンバードメント（ＦＡＢ）［１］、電気スプレイイオン化（ＥＳＩ）［２、３］、およびマトリックス支援レーザ脱着／イオン化（ＭＡＬＤＩ）［４、５、６、７］。ＭＡＬＤＩ法では、高分子は、高い光子吸収を持つ物質のマトリックスに低い濃度で埋め込まれる。高い輝度のレーザ光で照明される場合、マトリックスは急速に熱くなり、気化してプラズマとなる。気化中、運動量が高分子に伝達され、次いで、それらはイオン化してプラズマになる。マトリックスプラズマは急速に冷却するので、多くの高分子は元のままである。従来技術の質量分析計では、これらのイオン化した高分子の質量は、飛行時間（ＴＯＦ）法［３、７、８］、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）法［２、５、６］、あるいは単一または多重四重極質量フィルタ法［９、10］によって決定される。
高分子用質量分析計で利用される従来技術のイオン化粒子検出器の短所は、その減少する粒子速度のために大量の高分子に対するイオン化効率が著しく減少することである［11、12］。最新技術の質量分析のための検出器では、加速された高分子は検出器に衝突して電子を放出し、それは、次いで電子増倍管技術によって増倍される。前記最初の電子を放出する効率は、大量の高分子にとっては小さい衝突粒子の速度［11]に依存する。この検出器効率の不足は、従来技術の質量分析計では、高分子のフラックスを増加することによって相殺することができるが、全体のシステム感受性を低減させるという犠牲を払うことになる。一般に、従来技術質量分析計では、代表的に50000amuより大きい質量を持つ高分子の検出は効率が悪い。ＦＴ−ＩＣＲ技術によれば、より大きい質量でも検出できるが、高処理量が必要とされる利用例を別として、１秒台という大きい集積化時間の犠牲を払うことになる。
質量分析法は、生物学において、タンパク質フラグメントの質量分布を測定することによって、タンパク質配列決定［９、13］およびタンパク質識別［10］のために利用される。それはまた、ＤＮＡ配列決定における速度を増加させ、かつコストを低減させるための有望な技術であると考えられている［２、３、５、６、７、８、14］。標準ＤＮＡ配列決定手順は、パルス化ゲル電気泳動法技術を利用して、マクサム−ギルバートとサンガー戦略に従って準備された、ＤＮＡフラグメントのアリコートを分離することである［15、16］。この技術では、ＤＮＡフラグメントは、電界が与えられているゲルにおけるそれらの移動特性に従って、それらの長さによって分離される。空間的に分離されたＤＮＡフラグメント帯は、通常、オートラジオグラフィおよび蛍光技術によって記録される。
前記ゲル電気泳動法技術の不利益は、非常に大きいＤＮＡフラグメントに対する低速配列決定および貧弱な質量分解能である。高速ＤＮＡ配列決定のための従来技術質量分析計の不利益は100より多い塩基から成るＤＮＡフラグメントのためのイオン化検出器の低い感受性であり、質量分析に関して可能なＤＮＡ配列決定速度の増加を得難くする。
発明の概要
従って、この発明の目的は、大量の高分子のための新規質量分析計を提供することである。
発明のなお別の目的は、質量に関係ない検出効率を持つ高分子の質量を測定する、すなわち、非常に高い質量を持つ高分子の測定をも可能にする新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、単粒子カウンティングモードで高分子の質量を測定する新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、高い時間分解能および高い空間分解能の両方を持つ検出器システムによる高分子の質量を測定する新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、短いおよび長いＤＮＡフラグメントの高い処理量および高感受性塩基配列決定のための新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、小さいおよび大きいタンパク質の高い処理量および高感受性アミノ酸配列決定のための新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、小さいおよび大きいタンパク質の高い処理量および高感受性識別のための新規装置を提供することである。
発明のなお別の目的は、小さいおよび大きいポリマーの高い処理量および高感受性識別のための新規装置を提供することである。
それらの目的は、フォノン反応極低温粒子検出器を利用することによって達成される。極低温粒子検出器では、衝突加速高分子の吸収された運動エネルギーは変換されてフォノンになり（すなわち、検出器の固体格子の振動）、それらはフォノンセンサによって電子信号に変換される。前記フォノンセンサは、熱フォノンのバックグラウンドが無視できるものである極低温温度（すなわち、数ケルビンより少ない温度）においてのみ感受性がある。
発明の上述のおよび他の目的によれば、装置の１実施例は、高分子が、
0003766687.tif 000002
に比例する、ｍは高分子の質量を表わす、質量依存速度によって分離されるような飛行時間質量分析計である。同じ放出時間の間、重い高分子は、対応する軽い高分子より遅く検出器の位置に到着する。前記極低温粒子検出器は、質量に関係ない感受性を持つ単粒子カウンティングモードで、高分子の到着時間を決定するが、それは前記検出器の効率を決定するのは高分子の吸収された運動エネルギーであって、速度ではないからである。運動エネルギーは前記すべての加速高分子にとって同じである。
別の実施例では、単一のあるいは複数の四重極質量分析計が、極低温粒子検出器が発生高分子を測定している四重極質量フィルタによって、高分子の質量を分離し、かつ分析する。前記極低温粒子検出器の単粒子カウンティングモードのために、この実施例では非常に少量の高分子が必要とされる。
別の実施例では、高分子は、その質量／電荷比に従って、静止磁界によって空間的に分離され、続いて加速され、次いで空間分解極低温粒子検出器によって検出される。
別の実施例では、高分子はパルス化時間シーケンスで脱着され、その質量／電荷比に従って静止電界によって空間的に分離され、続いて加速され、次いで空間および時間分解極低温粒子検出器によって検出される。高分子イベントの空間的および時間的情報から、そして既知の放出構造から、高分子の放出時間を再構成し、そして質量を飛行時間から決定することができる。このことから、高い感受性および処理量を持つ並列動作飛行時間質量分析計を生じる結果になる。
発明の上記および他の目的によれば、前記極低温粒子検出器の１実施例は単結晶サファイアや単結晶ゲルマニウムからなる結晶基板を吸収体として、そしてジェーバーモードで操作される超伝導トンネル接合を前記フォノンセンサとして利用している。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、ニオブ、ニオブ合金、アルミニウム、アルミニウム合金、タンタル、タンタル合金、スズ、スズ合金、インジウム、インジウム合金、鉛または鉛合金の金属間におけるジェーバータイプ超伝導トンネル接合は、吸収体およびフォノンセンサの両者として利用されている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、前記ジェーバータイプ超伝導トンネル接合のフォノン感受性は、前記超伝導トンネル接合の対応するフィルムより大きい超伝導エネルギーギャップを持つ広い面積の超伝導フィルムの上に、前記超伝導トンネル接合をデポジットすることによって増強されて、準粒子トラッピング効果を利用している。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、結晶吸収体は超伝導遷移エッジフォノンセンサで覆われている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例ではフォノンセンサとして、低い熱容量と高い感受性のサーミスタの結晶吸収体から成るマイクロ熱量計が利用されている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、フォノンセンサとして、低い熱容量と高い感受性の運動コンダクタンス温度計の結晶吸収体から成るマイクロ熱量計が利用されている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、フォノンセンサは超伝導遷移エッジ温度計であり、それによって前記超伝導遷移エッジ温度計は、その位相遷移温度に近い温度で動作し、そしてその臨界電流より少し下の電流によって電気的にバイアスされており、それによって前記超伝導遷移エッジ温度計は前記過剰フォノンのために加熱され、それによって前記加熱は温度を上昇させ、それによって前記温度上昇は通常位相遷移に超伝導を発生し、それによって前記位相遷移は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する。
なお、前記超伝導遷移エッジ温度計は、イリジウムと金の層からなるものであることが望ましい。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、フォノンセンサは超伝導運動インダクタンス温度計であり、それによって前記超伝導運動インダクタンス温度計はその位相遷移温度に近い温度で動作し、そしてその臨界電流より少し下の電流によって電気的にバイアスされており、それによって前記超伝導運動インダクタンス温度計は前記過剰フォノンのために加熱され、それによって前記加熱は温度を上昇させ、それによって前記温度上昇はロンドン侵入距離の変化を生じ、それによって前記ロンドン侵入距離の変化は電子回路のインダクタンスの変化を生じ、それによって前記インダクタンスの変化は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、フォノンセンサは半導体サーミスタから成り、それによって前記半導体サーミスタは電流によってバイアスされており、それによって前記過剰フォノンは吸収体を加熱し、それによって前記加熱は温度を上昇させ、それによって前記温度上昇は半導体サーミスタの抵抗を変化させ、それによって前記温度上昇は前記電子信号を構成する電圧信号を発生する。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、結晶吸収体と熱フォノンセンサが同一であるマイクロ熱量計が利用されている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、結晶吸収体は、フォノンセンサとして作用する過熱位相の超伝導粒子で覆われている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、フォノンセンサは超伝導過熱微粒子であり、それによって前記超伝導過熱微粒子はその位相遷移温度に近い温度で動作し、それによって超伝導過熱微粒子は、前記超伝導過熱微粒子の臨界磁界より少し小さい値を持つ外部磁界に置かれており、それによって前記超伝導過熱微粒子は前記過剰フォノンのために加熱され、それによって前記加熱は温度を上昇させ、それによって前記温度上昇は通常の位相遷移に超伝導を発生させ、それによって前記位相遷移は通常の伝導微粒子への磁界ラインの透過により磁束変化を生じ、それによって前記磁束変化は前記電子信号を構成するピックアップループ内の電圧信号を発生する。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、過熱位相の超伝導微粒子は吸収体およびフォノンセンサの両者として利用されている。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、過熱位相の超伝導微粒子は誘電懸濁液における小粒子から成る。
前記極低温粒子検出器の別の実施例では、過熱位相の超伝導微粒子は基板にデポジットされた２次元構造から成る。
上記概要から、この発明の質量分析計が幾つかの利点を持つことが分かる；（１）高分子の質量に関係ない感受性で、すなわち非常に大量の高分子に対しても、高分子の質量決定ができる；（２）単粒子カウンティングモードで高分子の質量決定ができる、すなわち非常に高い感受性を可能にする；（３）前記フォノンセンサを生成する薄膜技術は高い空間分解能を持つ極低温検出器アレイを考慮している、すなわち高分子ビームを空間的に分割し、そして時間的に並列測定を実行することによって高処理量が可能である；（４）ＤＮＡ配列決定の感受性および処理量を数桁改良することができる；（５）タンパク質配列決定の感受性および処理量を数桁改良することができる；（６）タンパク質識別の感受性および処理量を数桁改良することができる；（７）ポリマー識別の感受性および処理量を数桁改良することができる。
【図面の簡単な説明】
発明の上記およびその他の特徴は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を考慮することにより理解されるであろう。
第１図は、フォノン反応極低温検出器の実施例の略示図である。
第２図は、第１図の実施例の電子回路の略示図である。
第３図は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析計の検出器として単チャネル極低温検出器を利用する発明の実施例の略示図である。
第４図は、第３図のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦのための機械シャッターの実施例を示す略示図である。
第５図は、レーザトリガおよび第４図の機械シャッターのタイミングを示す説明図である。
第６図は、第３図および第４図の実施例のための３つの高分子質量に対するイベントのタイミングを示す説明図である。
第７図は、高分子がフォノンセンサにおいて直接吸収されている空間分解極低温検出器アレイの実施例の略示図である。
第８図は、高分子が基板に吸収され、そしてフォノンセンサにおいて間接的に検出される空間分解極低温検出器アレイの代替実施例の略示図である。
第９図は、フォノンセンサが準粒子トラッピングフィルムを持つ超伝導トンネル接合であるような図８の代替実施例の略示図である。
第10図は、極低温検出器アレイを利用する代替実施例における選択質量を持つ高分子の計算軌道を示す説明図である。
第11図は、高分子の質量分離が磁界において空間的に発生し、そして高分子が極低温検出器アレイによって検出されている、第10図の高分子軌道を持つ質量分析計の実施例の略示図である。
第12図は、第11図の実施例における事後加速電圧に対する空間質量分解能の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第13図は、第11図の実施例における分子量に対する空間質量分離の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第14図は、第11図の実施例における分子量に対する質量分離分解能の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第15図は、第10図の質量範囲での第11図の実施例における高分子を検出するための必要事前加速電圧に対する必要磁界の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第16図は、第10図の質量範囲での第11図の実施例における高分子を検出するための必要事前加速電圧に対する事後加速の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第17図は、第11図の実施例において利用された第７図、第８図または第９図の実施例の位置分解能を例示するモンテカルロ計算の結果を示す説明図である。
第18図は、第17図から導出された再構成質量分解能を例示するモンテカルロ計算の結果を示す説明図である。
第19図は、第11図の実施例のパルス化放出動作モードを示す説明図である。
第20図は、第11図の実施例で利用された第７図、第８図または第９図の実施例の到着時間分解能を例示するモンテカルロ計算の結果を示す説明図である。
第21図は、第20図から導出された再構成質量分解能を例示するモンテカルロ計算の結果を示す説明図である。
第22図は、第11図の実施例の第19図で示されたパルス化放出動作モードにおけるデューティサイクルに対する質量再構成効率の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第23図は、第11図の実施例における極低温検出器アレイの空間分解能に対する極低温検出器アレイの空間分解能から導出された質量分解能の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第24図は、第11図の実施例における放出パルス長に対する第19図のパルス化放出動作モードを利用する場合の飛行時間から導出された質量分解能の依存を例示する計算結果を示す説明図である。
第25図は、第11図の実施例においてＤＮＡ配列決定のために利用されたプローブサンプルの実施例の略示図である。
詳細な説明
第１図に示された概略極低温粒子検出器は、参照番号１で示された吸収体から成り、その上にフォノンセンサ２がデポジットされている。第１図の実施例では、このフォノンセンサは、数nmの薄い酸化物障壁４によって分離された数100nmのトップフィルム３と数100nmの底フィルム５から成る超伝導トンネル接合である。超伝導トンネル接合は、α粒子およびｘ線検出器として十分に確立され［17、18、19］、そしてその物理学は十分理解されている［20」。超低温フォノンセンサのその他の実施例は次の通りである［参考文献19参照］：Ｔｃに近い超伝導遷移エッジ温度計、半導体サーミスタ、超伝導運動インダクタンス温度計および過熱超伝導微粒子とドット、基本的には、フォノンセンサにとっての唯一の要件は、数10keVのエネルギー堆積に対して感受性のあること、および100nsecより多くない立ち上がり時間を持つことである。極低温粒子検出器は、熱励起フォノンのバックグラウンドが無視できる場合、数ケルビン以下の温度で動作する。高分子の質量分析計のためのフォノン反応極低温粒子検出器の動作原理は、下記の通りである（第１図参照）：質量分析計の電界によって代表的に数10keVの運動エネルギーに加速されている高分子６は、フォノン７を発生し、それは吸収体１を通って伝搬し、そして結局、フォノンセンサ２において電気信号に変換される。数keVのエネルギーを持つイオン化粒子の吸収に対するフォノン反応極低温粒子検出器の感受性は、［21］によって、およびその他の著者達（［19］の参考文献参照）によって示されて来た。この発明の新規性は、大量の高分子のための質量分析計における極低温粒子検出器の実現である。第１図の実施例に示されるような極低温粒子検出器は、イオン化粒子を検出するだけでなく、運動エネルギーの吸収体の格子への非イオン化直接転移に対して等しくあるいはより感受性があるという独自の特性を持っている。第１図の前記実施例においては、基板、例えば単結晶シリコンを、数10μｍの厚さでエッチングして、フォノンセンサの近くの非熱フォノン密度を局所化することによって、フォノン収集効率は増強される。
第２図では、フォノンセンサとしての超伝導トンネル接合の実施例の場合における、電子読み取り回路が示されている。高分子６の吸収によって発生されたフォノン７は、吸収体１を通って伝搬し、その幾つかは超伝導フィルム３および５の中に入る。そこでは、クーパー対結合エネルギー２Δより大きいエネルギーを持つフォノンがクーパー対を破壊し（超伝導におけるコヒーレント電子拘束状態）、そして過剰準粒子を生成する（超伝導における電子単一励起状態）。２つの超電導フィルム３および５は、電流源８によって供給されたバイアス電流ｉのために、別々のエネルギー電位に置かれている。過剰準粒子の正味電流は、次いで絶縁障壁４を越えて移動する（クーパー対の移動、ＤＣジョセフソン電流は絶縁障壁に平行に与えられた磁界によって禁止されている）。フォノン７および対応する励起過剰準粒子は数μsecのタイムスケールで崩壊するので、過剰準粒子電流δｉは遷移特性を持ち、そしてコンデンサ９を通って流れるであろう。適切な演算増幅器10、フィードバックコンデンサ11およびフィードバック抵抗器12から成る電荷反応前置増幅器によって、過剰準粒子電流δｉは集積され、そして集積電荷はフォノンセンサ２に吸収されたフォノン７の数に比例するであろう。高分子ももちろんフォノンセンサそれ自体に吸収され、そして直接に信号を発生する、これは前記極低温粒子検出器の代替実施例である。なお、前記前置増幅器は前記極低温粒子検出器の基板上に集積されていてもよく、その場合には、超伝導構造から成るもので好ましい。
第３図は、通常、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ（マトリックス支援レーザ脱着／イオン化飛行時間）と称されるセットアップを利用する極低温粒子検出器を持つ高分子のための質量分析計の実施例を示す。真空容器13は、ターボポンプ装置14によって約10-6ｍバールまで排気され、それは真空測定装置15によって監視される。低温指部に取付けられた極低温粒子検出器17を持つ低温維持装置16は、バルブ18を介して真空容器13に連結している。真空容器13で発生した高分子のビーム19は、低温維持装置の冷却しゃへいの一連の小さい穴20によって低温維持装置の低温領域内に入る。高電圧電源23に連結した高電圧フォードスルー22に高分子サンプル21をマウントすることによって、およびサンプルをレーザ源24からのレーザビーム29によっで照明することによって、高分子のビーム19が発生される。レーザはＵＶレーザあるいは赤外線レーザであってよい。レーザ源24から発生するレーザビーム29はビームスプリッター25において分割される：ビーム１の１部分はパワーメータ26でレーザパワーを測定するのに利用され、そして他の部分はウインドウ27を介して真空容器13に入る。真空容器ではレーザビーム29は、ミラー28を介してサンプル21に向けられる。プローブは光り反応マトリックス溶液（例えば、シナピン酸あるいはαシアノ−４−ヒドロキシケイ皮酸［12］）から成り、その中に高分子は104：１を超える比率で希釈されている。レーザパワー、代表的には数nsec中に数mJ、はマトリックスによって吸収され、それは爆発して、電気プラズマに変わる。膨張マトリックスは運動量を高分子に伝達し、その高分子は従って揮発し、次いで膨張マトリックスのプラズマ特性によって荷電される。22における高電圧によって発生された真空容器の電界のために、高電圧電位と同じ電荷を持つ高分子は低温維持装置16への伝達管32に向かって、冷却シールド20の穴を通って、最後は極低温検出器17へと加速されるであろう。レーザトリガと極低温粒子検出器の到着信号の時間の時間差は高分子の質量の測定値である。極低温粒子検出器は非常に感受性のある装置であるので、マトリックスからのどんな光りおよびどんな低い質量破片でも検出器にぶつかることがあってはならない、それによって検出器の飽和そして／または低温維持装置の加熱に導くことがありうるかもしれない。これを防止するために、機械的シャッター30が伝達管32の前で動作する。シャッターの１実施例では、発光ダイオードおよび光り検出装置33がスリットの位置を測定し、そして電子制御装置35がレーザ24に適切なトリガ信号36を与えると、モータ31はスリットのあるディスクを回転させる。
第４図では、この機械的シャッターの特定実施例が示されている：モータ38は、スリットの開口α（代表的には５°から10°）のあるディスク37を、周波数ｆ（代表的には50Hzと100Hzの間）で回転させる。回転軸の位置は増分デコーダ39によって監視される。ソース21からの加速高分子41が、真空容器を低温維持装置に連結する管40内に入るのは、37のスリットが管の位置にある場合のみであろう。レーザトリガのタイミングを適切に選択することによって、極低温粒子検出器17に衝突する高分子のビーム41は、一定カットオフ値より大きい質量を持つ高分子のみから成る。第５図で示されるように、機械的シャッターの電子制御装置は、シャッター37の開口が伝達管40の位置にくる前の特定時間間隔Δｔlaserに、トリガ信号ｔlaserがレーザに伝達されるようにする。次いで、検出器は、スリットの開口の角度αおよびシャッターの回転速度ｆに依存する高分子の特定質量範囲にさらされる。第６図では、さまざまな質量を持つ高分子の到着時間が、回転機械的シャッターの位置および第３図に示される実施例の検出器の位置で示されている。運動エネルギーはｍν2に比例するので、ただし、ｍは質量、そしてνは高分子の速度である、飛行時間は
0003766687.tif 000003
に比例する。この実施例における10μsecより前の時間における陰影を付けた領域は、検出器に達しない高分子の質量範囲に対応する。
処理量を改良するために、発明の別の実施例は、前記極低温検出器アレイにおける加速高分子の衝突時間と衝突位置の両者を分解する極低温検出器アレイを利用している。極低温検出器の多くの実施例は薄膜デポジットおよびリトグラフィ技術を利用するので、μｍレベルの小規模構成によって衝突の位置の高い空間分解能を与えるであろう。発明のこの良好な実施例において、高分子は、その質量／電荷比によって磁界において空間的に分離され、そして質量は、極低温検出器アレイへの高分子の衝突の位置によって決定される。この実施例の別の形において、パルス化放出技術が利用される場合、質量分析計は高度並列飛行時間質量分析計であり、わずか数μsecでたて続けに広範囲の質量を同時に判定することができる。この質量分析計の実施例を以下で詳細に説明する。先ず、極低温検出器アレイの幾つかの実施例を示す。
この発明で利用される極低温検出器アレイは、第７図、第８図および第９図で示されるように、基板42上に電流線45を持つＮ個のフォノンセンサＤ１．．．ＤＮから成る。第７図の極低温検出器アレイの実施例では、フォノン47が生成されて電子信号に直接に変換されるフォノンセンサ43で、加速高分子46は直接に吸収される。この実施例の利点は、この直接プロセスによるフォノン／電荷変換の高い効率および高速タイミング信号である。しかし、広い表面領域を持つフォノンセンサを必要とし、（少なくとも超伝導トンネル接合の場合には）それは技術的に製作しにくい。第７図の前記実施例の代替は小領域を持つ多数のフォノンセンサということになるが、それは、非常に多数の電子チャネル45という結果になる。従って、極低温検出器アレイの良好な実施例は第８図に示される、加速高分子46は吸収体で吸収され、そして生成されたフォノン47は吸収体を通って伝搬され、フォノンセンサ43によって電子信号に変換される。純粋な単結晶、例えば単結晶シリコン、が基板として利用される場合、フォノンは衝撃的に長い距離を伝搬することができて、１フォノンセンサより多く検出されるであろう。超伝導トンネル接合がフォノンセンサとして利用されている前記実施例では、電子信号は吸収されたフォノンの数に比例し、そしてパルス高は超伝導トンネル接合の相互作用点への距離に比例している。従って、フォノンパルスに応答する種々の接合に対応する別々のパルス高の質量中心を計算することによって、この高分子吸収点の正確な特定を下すことができる。第８図の代替実施例が第９図に示されていて、超伝導トンネル接合の下に、追加の超伝導フィルム44がデポジットされている。この超伝導フィルムの材料は、その超伝導エネルギーギャップΔが、準粒子トラッピング効果を生じさせるために、対応する接合のギャップより大きくなるように、選択されている［22］。44においてフォノン47によって生成された準粒子は44の準粒子拡散を介して伝搬されるであろう、そして最後には、超伝導トンネル接合の下方フィルムにトラップされるであろう（第１図の５参照）。そこで、それらは酸化物障壁を貫通して、上述したように検出器信号を発生する。第９図の実施例は第８図のフォノン収集効率を改良している。以下で示す計算は、ＣＤＡの空間的および時間的分解能についての要件が技術的に納得のいくものであることを示す：次のパラグラフで示す発明の実施例の特定モデルでは、δｘ＝0.1mmの空間分解能とδｔ＝100nsecの時間分解能が、60000amuの質量に対する100amuの質量分解能を達成するのに十分であることが判明する。これらの計算において、極低温検出器アレイは10cmの長さであり、100のフォノンセンサから成っている。フォノンセンサの別の実施例は第１図の説明ですでに取り上げた。
上で示した極低温検出器によって、この発明の良好な実施例は第10図で示されるような計算された高分子軌道を持つ質量分析計となっている：51において、高分子は揮発され、イオン化され、そして事前加速される、次いで磁界50において、その質量／電荷比によって分離され、続いて電位差Ｕ1−Ｕ2によって静電的に加速され、そして極低温検出器アレイ53によって検出される。そこでは、高分子の衝突位置と衝突時間の両者が単粒子カウンティングモードで判定される。再び、この発明の主要な改良の１つは、高い高分子質量に対しても極低温検出器の感受性があることを取り上げるべきである。以下で、この良好な実施例の特定設計が示され、そして対応する設計の計算結果を説明する。これらの計算によれば、106amuまでの質量を100amuの分解能で測定することができるであろう。さらに、質量分析計は10％のデューティサイクルを持つ準継続モードで動作することができる。極低温検出器の単一カウンティング検出モードのために、代表的にフェムトモルよりかなり少ない、少量の高分子のみが必要とされるであろう。
極低温検出器アレイを持つ高処理量質量分析計の良好な実施例が第11図の略図で示されている。２つの基本構成要素は、ｚ軸に平行な均質磁界Ｂを生成する２つの超伝導長方形ヘルムホルツコイル48から成る磁石、および超伝導磁気しゃへい52の内側の極低温検出器アレイ53である。全構成要素は同じ真空装置内にあり、結合極低温装置60によって冷却されている。Ｔ1は超伝導磁石の動作温度、Ｔ2は追加低温維持装置58によって冷却された極低温検出器の動作温度、そしてＴ3は前置増幅器の動作温度である。
分析しようとするサンプルは事前加速室51に置かれていて、そこでは高分子はＭＡＬＤＩの場合はフィードスルー66、例えば、レーザビーム、あるいはＥＳＩの場合は毛細管、を持つ外部メカニズム67によって揮発され、イオン化される。なお、プラズマ（ＰＤ）脱着技術、表面増強ニート脱着（ＳＥＮＤ）技術、高周波数フォノン放出技術などにより揮発させてからフォトまたはＸ線によりイオン化してもよい。イオン化高分子は、代表的には数100eVの運動エネルギーに事前加速され、そして選択された質量範囲に依存して、ほぼ数テスラの磁界を持つ磁石の内部に置かれた質量分離器50内に入る。事前加速室51と質量分離器の両者は、電流線64を介して高電圧電源65によって保持される静電電位Ｕ1にあるが、磁石からは電気的に絶縁されている。超伝導磁石は２つの超伝導長方形ヘルムホルツコイル48からなるが、これらのコイルは、質量分離器50の位置にある、磁界のための超伝導材料のスペーサ49によって、ｚ軸にできるだけ平行になるように分離されている。磁石は熱接点61を介して低温維持装置60によって、その動作温度Ｔ1まで冷却される。参照番号73は極低温液の供給を、そして72は伝達線72を指す。超伝導磁石の電流は線62を通じて電流源63によって供給される。
磁石の垂直磁界Ｂにおいて、荷電高分子は、その質量／電荷比に反比例する曲率半径を持つ円形通路上を移動する（第10図参照）。正確に円形を描いた後、質量分離高分子は事後加速ステージ内に入り、そして最後に極低温検出器アレイ53に達する。極低温検出器アレイの位置にある高分子の運動エネルギーは、ｅ−（Ｕ2−Ｕ1）である、ただしｅは単位電荷、Ｕ1は質量分離器の電位、そしてＵ2は、通常はアース電位である極低温検出器アレイの電位である。極低温検出器アレイを強い漂遊磁界から保護するために、それは、超伝導材料であることが望ましい磁気しゃへい52に置かれる。極低温検出器アレイ53は、低温維持装置58によって極低温検出器アレイ53の動作温度Ｔ2に冷却されている低温指部54に、温度的に連結されている。低温維持装置58は、3He低温維持装置のような、58の実施例の場合には3Heの事前冷却および液化のために、主低温維持装置60に連結されている。低温維持装置は連結68を介して、温度制御装置およびポンプ69によって制御される。極低温検出器アレイは、低温維持装置60への熱リンク57を介して、その動作温度Ｔ3まで冷却されることができる電子前置増幅器装置56によって電子的にバイアスされ、そして読み出される。前置増幅器の出力は連結70を介して、データ収集装置71に連結されている。
以下では、発明のこの高処理量実施例の種々の設計および動作パラメータへの応答を、種々の計算結果を示すことによって説明する。基本的に、２次元コンピュータコードが利用されており［23］、それによって電界および磁界の計算、そしてそれらにおける高分子の軌道の決定が可能である。軌道計算によって、どんな時間段階においても、高分子の空間的および時間的双方の情報がもたらされる。他に通知がなければ、この特定実施例の計算におけるパラメータは、第10図に示されるような幾何学的構造になった、この場合、最も適切な寸法は質量分離器50の内側寸法（64cm×32cm）である。これらの寸法および第10図の構造によって、Ｍ＝400000amuとＭ＝800000amu間の高分子質量は、磁界Ｂ＝6.5テスラ、事前加速電圧Ｕper＝200Vそして事後加速電圧Ｕpost＝50kVに対する極低温検出器アレイによって検出される。空間検出器分解能はδｘ＝0.1mm、そして時間検出器分解能は100nsecであると考えられる。両値は極低温粒子検出器にとって代表的な値であり、そして技術的に実現可能である。高分子の質量が固定していた計算に対しては、中間値Ｍ＝600000amuが選択された。
高分子の質量分離は磁界の強さＢと事前加速電圧Ｕpreの結合によって決定される。事後加速電圧Ｕpostは、極低温検出器アレイによって検出可能にするために、数10keVの十分高い運動エネルギーに高分子を加速する必要がある。Ｕpostを増加させることによって極低温検出器アレイによる高分子の検出をより容易にするが、第12図から分かるように、高分子は極低温検出器アレイの小領域に集中されるようになり、従って空間質量分解能を低減する。第13図では、磁界の強さの種々の値に対する種々の質量範囲が示されている。所定の磁界の強さに対して、極低温検出器アレイに到達する高分子の質量範囲は、第10図に示されるように、質量分離器の限定出口ウインドウのために有限である。第13図から分かるように、大きい磁界は大きい質量範囲をもたらし、それは極低温検出器アレイによって同時に検出することができる。しかし、これらの質量は10cmの長さ上に広がっているので、第14図で示されるように、空間質量分離分解能は増加する質量に対して減少する。6.5Ｔの磁界は超伝導コイルによって容易に達成することができるが、相対的に広い範囲は技術的に大変であろう。磁界の良好な均質性が要求され、発明のこの良好な実施例の２つの重要な校正カーブ、位置校正カーブＭx-cal（ｘ）および時間校正カーブＭt-cal（ｔ）、を考慮することによって、小さな比均質性でも修正することができる。良好な質量分解能を得るために、磁界の短時間および長時間の安定性が重要である。
この高処理量質量分析計による良好な質量分解能を達成するためのもう１つの重要な要素は、質量分離器（第10図の参照番号65）内に入るイオン化高分子ビームの品質である。このビームは非常に正しく照準化されていなければならないし、モノエネルギー放射であるべきである。この高いビーム品質は、より高い事前加速電圧Ｕpreに対してはもっと容易に達成されるであろうことが期待される。しかし、３つの動作パラメータ磁界Ｂ、ＵpreおよびＵpostは所定の質量範囲に対して独立して選択されることはできない。第15図では、極低温検出器アレイの位置において、400000と800000amu間の質量範囲を検出するために必要な磁界の強さＢは、Ｕpreの関数として与えられ、そして第16図では、対応する事後加速値Ｕpostは同じ質量範囲のＵpreの関数として与えられる。例えば、400Vの事前加速電圧が選択される場合、極低温検出器アレイの位置における400000と800000amu間の質量範囲を検出するために、磁界は８テスラ（第15図）の値に、そしてＵpostは100kV（第16図）にセットしなければならないであろう。発明のこの良好な実施例の利点は、固定した幾何学的配置内で、高分子の質量範囲が、実質上ゼロから最高許容磁界によってのみ限定される質量までの範囲の質量に対してスキャンできることである。さらに、事前および事後加速電圧は全体の性能を最適化するように選択することができる。
高分子の質量は極低温検出器アレイの空間質量分解能から、直接に決定することができる（第14図参照）。この特定数値モデルにおいて、極低温検出器アレイの空間質量分解能は0.2μｍ／amuである（第14図参照）。例えば100amuの質量分解能を実現したい場合（ＤＮＡ配列決定のために大きいＤＮＡフラグメントの質量を測定しようとする場合に要求されるであろう。ただし、塩基質量は約300amu、以下参照）25μｍの極低温検出器アレイの空間分解能を必要とするであろう。このことは、第７図の実施例における10cmの長さの極低温検出器アレイに対して、約4000の個別検出器を必要とすることになる。第８図または第９図の極低温検出器アレイの実施例を利用する場合、１mmの間隔を空けたフォノンセンサによって、空間分解能δｘ＝0.1mmを得ることができるであろう。そこで、10cmをスパンするためには100のフォノンセンサのみが必要であろう。この発明のさまざまな実施例の質量分解能特性を吟味するために、モンテカルロ計算を実行した。Ｍ0＝600000amuの質量を持つ2000の高分子の「真の」値ｘstopは、極低温検出器アレイ出力ｘoutをシュミレートする、δｘ＝0.1mmのＦＷＨＭ（半最大値における全幅）をもつガウス分布によって、任意に選択された。第17図では、極低温検出器アレイ出力ｘoutの空間ｘ位置信号分布が示されている。対応する高分子の軌道を計算することによって得た計算されたマシンの校正カーブＭx-cal（ｘ）によって質量Ｍ1が決定された。第13図では、対応する質量エラーの分布Ｍ1−Ｍ0が示される。この質量エラー分布のＦＷＨＭは約500amuであり、そしてＤＮＡ配列決定にとっては不十分であろう。しかし、飛行時間戦略および、この高処理量質量分析計のパルス化放出モードの実施例を利用することによって、この質量分解能を改良することができる。これは次節の範囲であろう。
飛行時間質量分析計では、所定の検出器における粒子の放出時間ｔstartとその衝突時間ｔstop間の時間差が測定される。この数値モデルにおける高分子の代表的飛行時間は５nsecであるので、Ｔ2＝10msecごとに、例えばＴ1＝100nsecのパルス長を持つ高分子のパルスを放出することができる。これは10-5のデューティサイクルＴ1／（Ｔ1＋Ｔ2）を、従って、装置の低い処理量をもたらすであろう。この特定実施例の動作モードの考えは、磁界における軌道の空間的分離を利用することによって、多くの飛行時間測定を並列で実行することである。パルス化放出は第19図に示されている。停止信号Ｔstopは極低温検出器アレイによって測定されるが、対応するイベントの開始時間Ｔstartは決定されないままである。これは、次のように、軌道の空間分離を利用することによって行われる。第19図に示されるように、高分子はパルス長Ｔ1と非放出の休止Ｔ2を持つパルスとなって放出される。そのような放出パルスは、ＭＡＬＤＩ計画における対応するレーザパルスによって、あるいは事前加速位相における電気光学をスイッチすることによって、達成することができる。提供された実施例の２つの校正カーブ−位置校正カーブＭx-cal（ｘ）および時間校正カーブＭt-cal（ｔ）−を理解することによって、高分子の質量は、次のようにして再構成することができる。開始点は極低温検出器アレイの２つの出力信号である：
ｘout＝ｘstop＋δｘ
ｔout＝ｔstop＋δｔ
ただし、極低温検出器アレイにおいて、ｘstopは真の吸収位置であり、ｔstopは真の衝突時間であり、そしてδｘとδｔは、それぞれ、極低温検出器アレイの空間および時間分解能による真の値からの偏差である。値ｘoutから、位置校正カーブを利用して、質量の第１推測値Ｍ1が決定される：
Ｍ1＝Ｍx-cal（ｘout）
この値Ｍ1を時間校正カーブの逆Ｍ-1t-calに入れることによって、放出時間の第１推測値ｔ1が得られる：
ｔ1＝ｔout−Ｍ-1t-cal（Ｍ1）
次いで、高分子は放出パルスの１つの間に放出されなければならないことが分かると、高分子が放出された対応するサイクル数Ｎを識別することができる（第19図参照）。
0003766687.tif 000004
そして、放出パルスの立ち上がり区間を持つｔstartを識別することによって、放出時間のより良好な第２の推測値ｔ2を得る：
0003766687.tif 000005
ｔ2の値は、もちろん、パルス長Ｔ1に対応する精度まで分かるだけである。再び、時間校正カーブを利用して、最後に質量のＴＯＦ値Ｍ2に到達する：
Ｍ2＝Ｍt-cal（ｔout−ｔ2）
このＴＯＦ動作モードでは、高分子の値Ｍ2の精度は、極低温検出器アレイの放出パルスの長さＴ1および時間分解能δｔによって決定される。このパルス化動作モードでは、極低温検出器アレイの空間分解能δｘはサイクル数Ｎを再構成するためにのみ必要とされ、そして質量分解能には直接に入らない。第20図では、検出器到着時間信号ｔstopのモンテカルロ分布が、0.5μsecのＴ1のパルス幅、および100nsecの極低温検出器アレイの時間分解能δｔに対して、示されている。
第21図では、ＴＯＦ再構成質量の分布が示されており、それは下記のように得られた：モンテカルロ計算において、各イベントは、その対応値ｘout（第17図）およびｔstop（第20図）によって特徴づけられた。上述の質量再構成を利用して、質量値Ｍ2は、これらの２つの変数を対応する校正カーブに入れることによって決定された。質量決定エラーの分布Ｍ2−Ｍ0は、正しく識別されたサイクル数Ｎに対応する100amuのＦＷＨＭを持つ中心ピークと、放出サイクル（第19図参照）へのｔ1の値の「漏れ」のために、誤って識別された隣の放出サイクルに対応する同じＦＷＨＭを持つ２つのサイドピークを持っている。この「漏れ」の理由は、極低温検出器アレイの有限空間分解能δｘおよびパルスシーケンスにおける休止の対応的に小さい値Ｔ2である。所定値δｘに対するＴ2を増加することによって、誤って構成されたイベントの数を減少する。しかし、それに従って、デューティサイクルは低減するであろう。第22図では、計算された質量再構成効率は、空間分解能δｘの２つの値に対するデューティサイクルの関数として示されており、ここでは質量再構成効率は、不正確再構成イベントに対する正確再構成イベントの比であると定義される。
直接測定質量値Ｍ1の質量分解能は、第23図に示されるように、極低温検出器アレイの空間分解能を増加することによって（すなわち、δの対応値を小さくすることによって）、改良することができる。ＴＯＦ推定質量分布Ｍ2の対応質量分解能は、第24図に示されるように、放出パルス長Ｔ1を低減することによって改良することができる。しかし、後者の場合、質量分解能は極低温検出器アレイの有限時間分解能によって多分、決定されるであろう。上記の計算された質量分解能は、高分子のイオン化、事前加速ビームは完全に照準された質量分離器内に入り、すべての高分子は200eVの同じ運動エネルギーを持っている、と考えることによって得られた。もちろん、これは実際の装置では真ではないであろう、そしてそれらの理想初期ビーム条件をできるだけ多く実現するために、それは、発明のこの良好な実施例を構成するに際しての主要な技術的努力目標の１つであろう。
発明のこの良好な実施例は、高処理量ＤＮＡ配列決定のために特定利用される。ＤＮＡ配列決定の目標は、ＤＮＡアルファベット、Ａ（アデニン）、Ｇ（グアニン）、Ｔ（チミン）およびＣ（シトシン）を構成する４つの塩基の配列を決定することである。分子生物学研究室において、ＤＮＡ配列ラダーを含むアリコートは、リンガー法あるいはマクサム−ギルバート法のいずれかに従って準備される。例えばサンガー戦略を採用すると、ＤＮＡの同じ部分の４つのアリコートが生成され、それは、各アリコートが当該ＤＮＡの特定部分において対応する塩基位置についての情報を含む、４つの塩基Ａ、Ｇ、ＴおよびＣで分類することができる。通常、高分子は、ゲル−電気泳動技術を利用することによって、４つのアリコートの各々に対するそれらの長さに従って分類される。そこでは、高分子は、電界に置かれているゲルにおいて泳動する。所定の持続時間の間、短いフラグメントの方が長いフラグメントより遠くに泳動し、従って高分子が分離される。ゲル−電気泳動の主な不利益は、高分子がゲルを通って泳動するのに必要とされる（数時間台の）長い時間である。良好な設備の研究室は代表的に、１日あたり約10000の塩基の配列を決定することができる。
本質的により高速な方法は、質量分析を利用することによってそれらの質量に従ってＤＮＡフラグメントを分離することである。上で示されたように、この発明の良好な実施例において、質量600000amuの大きいＤＮＡフラグメントは100amu台の質量分解能によって分析することができる。以下では、３・109の塩基から成る人のゲノムに相等するアリコートを分析する速度が、この良好な実施例に対して算定される。極低温検出器アレイの単粒子カウンティング特性のために、パイルアップは防止されねばならない。従って、少数の高分子のみが所定時間に検出器アレイに到達することを確実にしなければならない。次いで、極低温検出器の単粒子カウンティング特性によって、パルス化放出の独自の放出サイクルに対する検出器値の各セット（ｘstop，ｔstop）の１対１対応の識別を可能にするであろう。早期放出イベントからの重い分子は、後期放出イベントからの軽い分子より遅く、極低温検出器アレイに到着するが、それらは決して検出器の同じ位置に達することはない、それは各軌道が各質量／電荷比に対して独自だからである。複数の荷電高分子が動作パラメータに対するそれらのさまざまな応答によって区別できることは、この良好な実施例の１つの利点である。分析しようとするＤＮＡフラグメントアリコートが、第25図に示されるようにチップに置かれる場合、各アリコートの放出は質量分析計の放出パルスに同期化される。極低温検出器アレイによって測定された各質量値は次に、チップ上の特定アリコートに相関することができる。再び、分析計の質量範囲は400000amuと800000amu間にされ、そして質量分解能は、塩基を分離するのに十分に、すなわち、Δｍ＜300amu、とされる。装置の有限分解能のために、その質量を明白に識別するためには、高分子あたり100イベントが必要である、とする。この所定の質量範囲内で、1300塩基から成る配列決定ラダーを、第25図のＡ、Ｇ、ＴおよびＣと称する４つのアリコートに対して再構成することができる。検出器値（ｘstop，ｔstop）から質量を守備よく再構成するために、そして高分子をそれが由来するチップ上のアリコートに相関させるためには、唯一の高分子が、平均して、パイルアップを生じないような所定の位置と時間で、検出器に衝突しなければならない。従って、所定のアリコートは100回分析されねばならない。放出パルス期間が100μsecに選択されると、所定のＤＮＡ鎖の1300塩基の配列を100×４×100μsec−40msecで再構成することができる。次の４つのアリコートは1300塩基だけシフトされた高分子集合に対応するであろう。再び、それらの1300塩基の配列が決定されるのに40msecかかるであろう。従って、１秒間に、マシンは3.25・104の塩基を再構成することができる、あるいは、言い換えれば、３・109の塩基から成る人の全ゲノムと同数の塩基が、9.2・104秒、すなわち25時間で、配列決定されることができるであろう。それに比べて、１日に10000の塩基配列を決定することができる単一のゲル−電気泳動装置によって、人のゲノムを配列決定しようとすれば、800年かかるであろう。しかし、配列ラダーの分離は、ＤＮＡ配列決定において必要とされるステップの１つにすぎない。配列ラダーの生化学的生産は精巧であり、そして人の全ゲノムに対しては数時間よりはるかに多くを必要とするのであろう。それにもかかわらず、第25図で表わされるように、さまざまな研究室によって、平行して、サンプルアレイが準備され、貯えられており、そして非常に短時間で、この発明の良好な実施例によって分析されることができる。
必要なＤＮＡの量全体もまた小さい：第25図に示されたサンプルアレイは、３・109／1300＝2.3・106アリコートから成るはずであり、それは、1500×1500アリコートのアレイの形にすることができる。この例では、Ａ、Ｇ、ＴおよびＣと称する４つのアリコートは、平均600000amuの質量を持つ1300の高分子の完成ラダーを含んでいる。放出サイクルあたり（すなわち、アリコートあたり）、極低温検出器アレイに衝突する高分子の総質量は、従って、（1300／４）×600000amuである。質量に対して良好な算定を得るために、同じアリコートを100回分析しなければならないので、この値は100を乗算しなければならない。さらに、全体の揮発およびイオン化効率は多分、10-4よりよくないであろうから、この量は再び、係数104を乗算しなければならないであろう。従って、アリコートあたり、（１amu＝1.66・10-24ｇ）が得られる：
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サンプルアレイにおけるアリコートの数を乗算することによって（2.3・106）、サンプルアレイにおいて必要なＤＮＡの総量が得られる：
サンプルアレイにおけるＤＮＡの総量＝2.3・106×0.32・10-9ｇ＝0.74・10-9ｇ＝0.74・10-3ｇ
次に、サンプルアレイのサイズを評価する：各アリコートは、基本的に、10-4の桁までに溶解されたＤＮＡを持つ溶媒から成っているので、アリコートの質量は3.2・10-6ｇになるであろう。簡単にするために、密度を水の密度とすれば、この質量は、3.2・10-6cm3の量に、あるいはまた、91μｍのアリコート半径に、対応するであろう。従って、このアリコートはそれぞれ0.2mmの距離で間隔をあけられるであろう。サンプルアレイの全体サイズは、従って、下記のようになるであろう：
サンプルアレイサイズ＝
（1500・0.2mm）×（1500・0.2mm）＝30cm×30cm
上述の、人の全ゲノムの配列決定中に、極低温検出器アレイに集積されたＤＮＡの総量は、7.4・10-10ｇになるであろう。そしてそれは10cmの長さで、１mmの高分子ビーム高さの極低温検出器アレイのための7.4nm厚さのフィルムに対応する。この厚さのポリマーフィルムは極低温検出器のフォノン感受性を変えることはほとんどないであろう。
上に示された計算において、ＤＮＡ配列決定は発明の良好な実施例の１つの利用例である。上記説明はまた、タンパク質、ペプチド、ポリマーあるいは他のどんな高分子に対しても利用されることは言うまでもない。
本文での発明の形は現在良好な実施例を構成しているが、他の多くも可能である。発明の可能な同等形あるいは派生形のすべてをここで取り上げることは意図しない。ここで使用された用語は説明のためのものであって、限定するものでなく、発明の精神あるいは範囲から逸脱することなく種々の変更がなされることは理解される。
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23．電位界ラインの計算および軌道は、ロスアラモス国立研究所のR．HolsingerとK．Halbachによって開発されたポアソンのコードグループに基づいている。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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