Vol.２７ No.１，２００８

99
センターニュース

分析機器解説シリーズ（99）◆フーリエ変換イオンサイクロトロン
共鳴型質量分析計の原理と応用 ……………………………………… P1
ブルカー・ダルトニクス株式会社

齋藤和徳

トピックス

◆走査電子顕微鏡における低加速電圧観察の最近の動向 ………… P5◆お知らせ

九州大学大学院工学研究院材料工学部門

大上悟

エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社
ビーム・テクノロジー応用技術部

大柿真毅…………………………………………………………………………………………… P8

分析機器解説シリーズ（99）

フーリエ変換イオンサイクロトロン
共鳴型質量分析計の原理と応用
ブルカー・ダルトニクス株式会社

1

齋藤

和徳

は、大きく分けてイオン源（ion source）と分析部（ana-はじめにlyzer）からなる。これまでに、イオン化法、イオン分光法ともにさまざまな方法が開発されてきており、その組み合質量分析法は、物質の分子量や化学構造を知るためのわせも、また多様である。さらに、多くのイオンの中から手法である。質量分析法では、測定対象となる分子を何興味あるイオンを分離し、そのフラグメントイオンピークらかの方法で気体状のイオンとする。イオンを真空中に置を得るMSn測定のために、分析計をふたつ以上組み合わいて、電場や磁場による力で運動を与えると、質量と電荷せた装置もある。これらは分析の目的や、対象の物質に合に応じて分離するので、これを検出する。このとき質量をわせて選択される。

電荷の大きさで割ったものを質量電荷比（m/z ）と呼び、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型質量分析計

横軸に質量電荷比を取り、縦軸に信号強度を取ったものをは、磁場中で荷電粒子が回転運動することを利用した、マススペクトルと呼ぶ。例えば炭素の場合には、天然でもanalyzer のひとつである。英語での頭文字（Fourier trans-13Cという同位体が1.1％存在しており、マススペクトルにform ioncyclotron resonance mass spectrometry） を 取

は、こうした同位体のピークも観察される。さらに、イオって、FT-ICR-MS、あるいはFTMSと省略される。現代のン化の過程や、真空中を飛行する間に、イオンが開裂する

FT-ICR-MSには超伝導磁石が用いられており、安定した高ことによるフラグメントイオンピークも観察されるため、磁場により、他の質量分析計には類を見ない高分解能（磁通常マススペクトルは複雑なものとなるが、同時にこれら場強度に比例する。9.4T 磁石でＦＷＨＭ＞1,000,000）、は構造に対する多くの情報を与えてくれる。質量分析計

高精度（1ppm以内）を得られることが、最大の特徴であ（1）

分析機器解説シリーズ（99）る１）。2002年に、イオン化中に開裂が起こりにくい、ソ法則に従い、磁場と運動が作る平面に対して垂直な方向にフトイオン化法であるMALDI（Matrix Assisted Laser De-力が加わる。このため磁場中では、荷電粒子は磁場の方向sorption Ionization）の開発で田中耕一氏が、ESI（Electro-を軸にして回転運動をする。この内向力をローレンツ力とspray Ionization）の開発で John B. Fenn氏が、それぞれ呼ぶ。ローレンツ力と遠心力が釣り合うときの、荷電粒子ノーベル化学賞を受賞したが、近年FT-ICR-MSとともによの回転運動の角速度ωを求めると、く用いられるのも、このふたつのイオン化法との組み合わ⑴せである。特に、ESI法では多価のイオンが生成しやすく、分解能が低い装置では、価数が大きくなると、その価数をを得る。このとき、ｑ は荷電粒子の電荷の大きさ、m は質決定できない。これは、同位体イオンピークの分布が密に量、Ｂは磁場強度である。角速度を周波数ʄ に直すと、なるためで、例えば 50価のイオンであれば、m/z 1/50す⑵

なわちm/z 0.02の差を明瞭に分離できなければならない。
FT-ICR-MS では、ウシ血清アルブミン（66kDa）の56 価となり、周波数は質量電荷比の関数となる。⑵式から、周のイオンの同位体イオンピークの分離を得ることが可能で波数に影響するファクターは、質量電荷比を除くと磁場強あり（図１）、高分子への応用も期待されている。

度だけとなるが、超伝導磁石の生み出す磁場は極めて安定

本稿においては、FT-ICR-MSの原理について概説し、ESIFT-ICR-MSでのサンプルの調製法と応用例を紹介する。

であり、FT-ICR-MSが原理的にも高精度を保てることが理解できる。
Bruker Daltonics 社製FT-ICR-MS Apexシリーズで用い!a)648+50+49+Intensity5を受けるが、z 軸方向には運動を拘束されない。そこで、トラッププレートとよばれる電極をz 軸に２枚置き、そこ

41+
40+54+53+3

1187.11187.01187.31187.2

m/z1187.4

独立した電極があり、対向する２枚を対にして、励起電極

36+ 35+55+34+33+ 32+（excitation plate）と検出電極（detection plate）と呼んで
31+1

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800に正のイオンであれば正の静電場を与えることで、分析セルの中にイオンをトラップする。円筒を囲む形で４枚の39+38+37+2られている分析セルを、図２に示した。磁場中のイオンは、ローレンツ力により、x-y 平面に対しては運動の拘束

43+44+ 42+51+52+456+47+ 45+46+

1900

2000

2100m/zいる。イオンを分析セル内にトラップした後、励起電極にRF 波が印加されると、イオンは回転半径を増しながら回転運動を始める。10−10mbar 以下の高真空中では、適当な!b)時間の後にRF 波を停止してもイオンは回転運動を続ける

1.5が、このとき検出電極につないだ閉回路には、イオンによIntensity

る電磁誘導により微弱な電流が発生する。それをアンプに1.0より増幅して検出すると、FID（Free Induction Decay：自由誘導減衰）と呼ばれる波形を得る。この波形は、各イ0.5y0.066400

図1"1664106642066430

66440

66450

66460m/z

ESI-FT-ICR-MS で測定した、ウシ血清アルブミンのマススペクトル。33 価から 55 価までの多価イオンピークが観察されているが、55 価のピークを拡大しても同位体イオンが分離していることが分かる。このときの分解能は、およそ 200,000 である⒜。この情報は、スペクトルをdeconvolution しても失われない⒝。

Excitation
Plate

x

Trapping Plate

Trapping Plate
Excitation Plate

2

ICRの原理磁場中で荷電粒子が運動をすると、フレミングの左手の（2）Detection Platez

Externallygenerated ions

Magnetic field
図2

Apex-Q で用いられている ICR 分析セル。

分析機器解説シリーズ（99）オンが生み出す、さまざまな強度を持った正弦波の混合波

4であり、これをフーリエ変換すると、縦軸に強度、横軸に周波数を取ったスペクトルが得られる。この周波数スペク
トルは、⑵式より、マススペクトルに変換可能である。

応 用 例

近年注目を浴びている応用例として、タンパク質測定、特にトップダウンプロテオミクスがある。これは、タンパ3ク質分子を大きな構造を保ったままイオン化し、さらには試料の調製分析計内部で開裂を起こして、タンパク質の同定、アミノ酸配列解析、さらには翻訳後修飾を明らかにしようというESI法では、試料は水、またはメタノールやアセトニト試みである。図１に示したように、分子量70kDaぐらいまリルなど、比較的極性の高い溶媒に溶解して測定される。

でのタンパク質では、多価のイオンにおいても同位体イオ水を使う場合にも、イオン化効率を高めるために、50％ンピークの分離が得られるため、これまで質量分析計では程度の有機溶媒を添加することが多い。さらに、正イオン知り得なかった構造情報が得られるケースがある。さらにモードでの測定の場合には、プロトンアダクトイオンの生イオンが開裂した複雑なスペクトルにおいても、FT-ICR-成を促進するため、１〜３％程度の酢酸、または0.1％程MSの高分解能を用いれば、ピークの帰属が可能である。

度のギ酸を加えることもある。クロロホルムなど、極性の一方、分子量が 2kDa を超えない低分子においても、低い溶媒にしか溶けない試料の場合、そのままではイオンFT-ICR-MS の高分解能、高精度が生かされるような分化せずに測定が難しいこともあるが、試料によっては、水析例が、近年多く示されている。図３には、河川水中の溶メタノール溶液などを添加しても、沈殿を生じないこと

フルボ酸の分析例を示す。フルボ酸とは、カルボキシルもあり、ESI法で測定できることもあるので、試す価値は基、水酸基を多く含んだ多価有機酸のことで、天然中にある。このイオン化法の適用範囲は広く、極性があれば低は、多くのバリエーションが見出される。この測定例で分子から、分子量数万のタンパク質まで、開裂させずにイは、m/z 200から900の領域に非常に多くのピークが観オン化することができる。分子量約150kDa の免疫グロブ察されたが、m/z 411付近を拡大してみてみると、わずかリンも、開裂することなく観察されている。

m/z 0.35の間に21本のピークが観察され、しかもそのす

このようにESI法は優れた手法ではあるが、塩類が混入べての組成式を同定可能だった２）。これまでフルボ酸混合したサンプルでは、イオン化が妨げられやすく、検出感度物の分析には、赤外分光法や原子核磁気共鳴法が用いらが低下してしまう面もある。特に生体由来のサンプルには塩類が多量に含まれていることが多く、脱塩、前処理が分析の成否を決める。質量分析法は高感度であるため、通常測定に供されるサンプルは少量である

200300400500600

700

411.00411.05411.10411.15411.20800

900

ことが多く、前処理も少量で出来ることが重要である。まず検討すべきなのは、小さなチューブを用いた限外ろ過による処理である。対応する分子量も３kDa 以上からあり、操作も遠心するだけと簡単である。次に、固相抽出カートリッジが挙げられる。これはカラムなどに使用される充填剤が詰まった小さなカートリッジのことで、有機溶媒で溶離でき、そのまま測定可能なことから、逆相系のものがよく用いられる。この充填剤をマイクロピペットのチップ先端に詰めたものもよく利用されるが、得られる溶液の量が10µL 程度と少ないため、もっぱらナ

410.90

図3ノスプレーESIでの利用となる。

410.95411.25411.30411.35411.40 m/z

スワニー川（アメリカ・ジョージア州）でサンプリングされたフルボ酸の、FT-ICR-MS 分析結果。m/z 411 付近を拡大してみると、21 本のピークが観察され、すべて元素組成を同定できた。このときの誤差は１ppm 以内であり、平均誤差はわずか 0.26ppm であった。

（3）"3分析機器解説シリーズ（99）

図4

原油の分析例。m/z402 付近を拡大す
ると、14 本のピークが観察され、いずれもその元素組成を同定することができた。

れてきたが、これらの方法では混合物の組成の傾向は分か情報量が多いということであり、FT-ICR-MSを利用するるものの、個々の分子の同定までは不可能であった。FT-ことによって、これまでの質量分析では得ることが出来な

ICR-MSにおいては、一斉分析により分子組成の同定が可かったような、詳細な情報が得られるようになることが期能であり、より詳細な組成の分析や、環境中での動態の解待される。特に、環境分析やメタボロミクス分野など、複"4明が期待される。図４には、原油の分析例を示す。原油の雑な組成の混合物から、特定の物質を同定することが可分析においても、m/z 200から800の領域に多くのピーク能になると期待される。また、紙面の都合上割愛したが、が観察されるが、一例としてm/z 400付近を拡大してみてFT-ICR-MSは多彩なMSn測定が可能な装置でもある。

みると、わずかm/z 0.3の間に14 本のピークが観察され、Apex-Qにおいては、分析セルの前段に四重極のマスフィ

３）すべての元素組成を同定できた 。このように、FT-ICR-ルターと六重極の衝突室を備えており、簡単にMSMS 測MSを低分子に応用すると、これまで得られなかったよう定を行うことも可能である。こうした柔軟性もFT-ICR-MSな情報を、一度の分析で得られることが可能であり、サンの特徴のひとつであり、今後さらに応用例が増えていくのプルのスループットの向上が期待されている。

ではないだろうか。

今後、低分子分野への応用として期待されているのが、
メタボロミクス分野である。これは、生体内で起きている変化を、代謝物から見ていこうと言う試みである４）。従来の質量分析計をこの目的に用いる場合には、液体クロマト

参考文献

グラフィー法やキャピラリー電気泳動法と言った、分離技

1）Amster, I. J. 1996. Fourier transform mass spectrometry.
J. Mass Spectrometry 31, 1325-1337.

術との組み合わせが必須であったが、すでに述べたように、FT-ICR-MS では低分子を分離することなく一斉に分析し、その元素組成を明らかにすることが可能であり、サンプルのスループットを著しく向上させることが期待されている。このことは、omicsと呼ばれる、多くのサンプルを扱う分野においては極めて重要であり、今後の発展が期待される。

5

おわりにFT-ICR-MS で得られる分解能は、他の質量分析計と比べて桁違いに高い。分解能が高いと言うことは、得られる（4）2）Fuchser, J., Schmitt-Kopplin, P., Frommberger, M., Hertkorn, N. 2006. Analysis of complex, natural Suwanneeriver fulvic acid mixtures by FTMS : Revealing homologous series by analyzing ultra-high resolved mass spectra by Kendrick and van-Krevelen plots. Proceedings ofInternational Mass Spectrometry Conference 2006.
3）Witt, M. 2007. Crude oil analysis by Fourier transformion cyclotron resonance mass spectrometry using diﬀerent ionization techniques. Proceedings of American Society for Mass Spectrometry Annual Conference 2007.
4）松田史生，及川彰，草野都，菊地淳，斉藤和季．2007．
メ タ ボ ロ ー ム 解 析 技 術 の 現 状 と 展 望． 化 学 と 生 物 11,754-760.

トピックス

トピックス

走査電子顕微鏡における低加速電圧観察の最近の動向
九州大学大学院工学研究院材料工学部門

大上悟

エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社
ビーム・テクノロジー応用技術部

大柿真毅

1. はじめになど）を施す必要がある。数十万倍率レベルの高分解走査電子顕微鏡（SEM）は、産業を担う各分野にわじめ、「真の試料表面」を観察することはできない。さたり広く用いられているナノテクノロジー観察装置であらにコーティングによって試料表面の物性の多くは失わる。SEMは二次電子検出器（SE）以外の多様な各種検れていることは明らかである。

能観察においては蒸着膜を構成する粒子が観察されは出器を装着することで、観察対象の多面的な特性評価

本稿では低加速電圧で高分解能を実現した独 Carlが可能である。光学顕微鏡よりも高分解能／長焦点深Zeiss 製のSEMについて解説する。写真１は、GEMIN度であることから光学顕微鏡の延長線上の形状観察装鏡 筒 を 持 つCarl Zeiss 製 のSEMシ リ ー ズ で あ る置として位置づけられ、最近では研究室レベルの予算

ULTRA55機の外観写真である。

で導入できる安価なものも出現している。また透過電子顕微鏡（TEM）ほど試料の作製（100nm以下の薄膜2. GEMINI 対物レンズ化が必要）に要する時間やノウハウが必要ないこともあり、試料の表面形状を簡便に観察する有能なツール

Carl Zeiss では、ショットキー型電界放出銃と磁界として用いられている。SEMにおける空間分解能は加／静電界を組み合わせたユニークな電子光学設計の速電圧に依存し、これまで高分解能の試料観察を行う

GEMINI対物レンズには比較的高い加速電圧を用いなければ電子線径を小加速電圧領域での高分解能観察と高コントラスト観察さくすることができなかった。しかし高加速電圧では入を可能にしている。GEMINI対物レンズを搭載したFE-射電子が試料に深く進入し、表面以外の「必要のない」

SEMは、SUPRA／ULTRA 各シリーズがラインナップさ内部情報を得てしまう。また導電性の乏しい試料の観れている。いずれにも共通する特長は、磁界と静電界

察においては、チャージアップ現象を克服するためにそを組み合わせた対物レンズにある（図１）。の表面に導電性物質のコーティング（蒸着／スパッタにより前述の問題を克服し、低静電レンズは対物レンズ最先端付近に配置され、入UL

電磁レンズ

静電レンズ

写真 1 ULTRA55 の概観

図 1 Gemini 鏡筒の対物レンズ断面図（5）トピックス
射電子ビームに対して減速電界として作用する。図１の
UL は電子ビームを鏡筒内で高エネルギーに保ち加速3. 低加速電圧観察するが対物レンズ終端通過時点でグランドに落ち、結低加速電圧条件下での高分解能観察が可能になると、果電子ビームは最初に設定された加速電圧で試料に入観察の応用範囲は格段に広がる。非導電性物質の表面射する。つまり加速電圧が 500V の場合、電子ビームは構造観察を単にコーティングなしで実行可能にできる

鏡筒内では（500＋UL）eV のエネルギーを持ち、試料だけでも、これまでコーティング処理によって失われて入射時には500Vになる。低加速電圧条件下で分解能いた試料の最表面の物理学的情報や微細構造を得る上の低下を招く色収差の問題は、この静電界レンズによりで非常に有効である。また試料マトリックス上に極薄く

１）大幅に低減される 。また同時にこのレンズは、低いエ形成された酸化物の情報を得る際にも、低加速電圧観ネルギーの二次電子を対物レンズ直上に配置された環察は電子線の侵入深さを浅く抑えられるメリットがある

状二次電子検出器へと加速させる役割も持つ（図２）。

２）

さらに、この静電レンズシステムにより、光軸は加速電ラストによる90nmプロセスでの半導体デバイスpn接圧を変化させてもシフトが少なく、最適観察条件の設合像を示す（図３）。

。応用例の一つとして加速電圧250V での電圧コント定作業が非常に簡便である。

図2

Gemini 鏡筒断面図と検出器の配置

図3 加速電圧250Vでの半導体デバイスpn接合観察像（6）

トピックス

4. 検出系の特徴

TEMは高分解能観察は得意であるものの、一度に観察できる領域が非常に狭い。高分解能観察したい場所

ULTRAシリーズのSEMは前述の光学設計に加え、が試料全体に「均等」に分布しているのであれば問題鏡筒内に光軸対称に配置した反射電子検出器（EsB：はないが、それがごく局所的にしか存在しない場合、大Energy selective Backscatter electron detector）を有量の連続撮影を行わなくてはならない。Ultra55では低し（図２）、対物レンズ直上の環状二次電子検出器のホ倍率でEsBによる「組成強調コントラスト」とSE 像をールを通り抜ける反射電子（高角度散乱された電子）を「同時に」取得して局所的な観察場所を特定し、その場検出する。さらに、これらの検出器に電子が入る直前に所を高分解能観察することが可能である。

電極に逆バイアスをかけて、低いエネルギーの電子がEsBによる組成強調コントラストだけでは観察箇所検出器に入射するのを防ぐ機構も備える。これにより、がどのような元素で構成されているかを同定すること高角度で散乱された反射電子をエネルギー選択しつつはできない。しかしながら、試料をEsBとEDSで観察検出することが可能になっている。また、検出器が鏡筒し、組成強調コントラストと元素の対応をひも付けして内に配置されていることにより、WDの制限も非常に少おけば、長時間かかるEDS 面分析に頼らなくても、二なくなり、低加速電圧領域における反射電子観察も可次電子線像と「同時に（すなわち高速に）」取得できる

３）能である 。図４はアルミニウム基板上に陽極酸化皮膜

EsBだけで組成分布等を考察することも可能である。

を形成した試料であるが、加速電圧が1.0kVと低いた

またEDSの分解能は１〜数um程度といわれているが、め導電コーティング処理の必要がなく、EsBによる組成Ultra55に増設したEDSでは最小 31nmという分解能を強調コントラストに悪影響を及ぼさない。試料の最表面得たという事例もある４）。の約100nmはBを２％ドープしており、平均原子番号の差は Z＜0.05であることがわかる。このように、軽元素物質同士で構成された試料に対しても低加速電圧

5. ま と め

条件で反射電子像を観察することによって、その分布光学系と検出系が相補するシステムを持つGeminiカを組成強調コントラストとして観察することが出来る。

ラムは、安定して低加速電圧領域での観察が可能であま たUltra55は も う 一 つ 反 射 電 子 検 出 器（AsB：り、単に最表面観察を容易にするだけではなく、スルーAngle Selective Backscattered Electron Detector）をプットや扱いやすさにおいても非常にユニークである。

搭載している。EsBが高角度散乱反射電子を検出する

SEMはビーム径によって定義される高分解能観察性能のに対して、AsBは極低角度散乱反射電子を検出するに重きを置かれる面があるが、それに留まらず高コントことが可能である。低角度散乱反射電子は表面の凹凸ラストによる 情報 の取得機能の多様さも、これからならびにチャンネリングコントラストと呼ばれる結晶のは重要になると思われる。

方位情報を持っており、それを検出することによって結晶粒内のサブグレインなどを判別することが可能である。
参考文献
1）H. Jaksch. Field Emission SEM for true surface imaging
and analysis, Materials World 1996.
2）佐藤 馨、名越 正泰、濱田回学術講演会予稿集．

悦男．日本顕微鏡学会第 59

3）H. Jaksch, J-P. Vermeulen. Microscopy Today, Vol13,No.2, p. 8-10（2005）．
4）JFE 技報，No.13, p. 103-105（2006）．
（http://www.jfe-steel.co.jp/research/giho/013/pdf/01320.pdf で閲覧可能）

図4 Al基板上のAl2O3（2% B Dope）皮膜の断面観察像（1kV）

1 http://www.jfe-tec.co.jp/analysis/physical03.html も参考になる

（7）

お知らせ

⑴ 中央分析センターでは、2007年７月より民間企業を対象とする「先端研究施設共用イノベーション創出事業【産業戦略利用】」を開始しています。詳細はHPをご覧下さい。
⑵ 外部資金による利用料金支払いについて
中央分析センター（筑紫地区）では、科学研究費、受託研究費、協同研究費などの外部資金による支払いが可能です。（科学技術振興調整費を除く）。科研費の場合は、４月の交付申請書提出時、機器使用料の項目を記入して申請して下さい。伊都分室では本年４月から支払いが可能になります。
⑶ 「ネットワーク物性解析システム」について
センターニュース98号でお知らせしましたように、データ解析用のノートパソコンの貸し出しを行います。利用にあたってはHPより「解析PC利用申込書」をダウンロードしてご提出下さい。また利用時の留意事項を熟読の上、ご利用下さい。
解析ソフトセットアップ一覧
管 理 部 署
中央分析センター筑紫地区
中央分析センター伊都分室（伊都地区）
PC番号 BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI BUNSEKI
ソフト種類
01
0203
04
05
06
07
08
0910○○○○○○○○○○NM
R○単結晶Ｘ線
構 造 解 析 325 036 R
粉 末 X 線データベース
F TI RAFM
F E S E M
熱分
析
SEM EDXXGTOffice 2003
Internet
Security 2008

○320 780 R○325 035 R○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○

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登 録 装 置 募 集 中 で す
中央分析センターでは、全学的な分析機器の共同利用の一層の充実を図るため、随時「登録装置」を募集しています。

登録装置 Q and A
利用料金は?／各研究室で自由に設定できます。全額研究室に移算されます。
利用料金の計算は?／利用料金の計算及び移算手続きは分析センターが代行します。
装置の設置場所は?／現在設置されている場所です。移動する必要はありません。
負担が大きくなるのでは?／負担分を考慮して、利用経費を設定して下さい。
面倒では?／否定はできませんが、全学的視点から装置が効率的に利用でき、学内の相互協力の実現というメリットをご考慮いただければ幸いです。

手続きは?／登録装置システムにご賛同いただけましたら、「装置登録依頼書」（用紙はダウンロードするか、センターに要求して下さい）に必要事項をご記入の上、分析センターへお送りいただくだけです。

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平成20年1月31日発行

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