JP2004214293A

JP2004214293A - 粒子検出器

Info

Publication number: JP2004214293A
Application number: JP2002379804A
Authority: JP
Inventors: Masataka Okubo; 雅隆大久保
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】従来、生体分子の分子種、質量数に依存せず、高い量子効率で分子を検出できる検出器で、ｃｍサイズの有感面積、ＭＣＰに匹敵するか、あるいは上回る応答速度を実現することが困難であった。
【解決手段】本願発明においては、超伝導薄膜によりストリップ線路を構成し、該ストリップ線路は、超伝導転移温度以下の温度に保たれ、超伝導臨界電流より小さい直流定電流または交流電流により駆動されている。イオン衝撃により局所的に励起されるフォノン、電子または局所的温度上昇を介して生成される電子励起状態の密度が高い領域（ホットスポット）においては、超伝導状態が壊れて常伝導状態が出現する。生体分子イオンのエネルギーは、数１０ｋｅＶであるので、これにより、ストリップ線路の一部のみが常伝導状態に転移し、抵抗変化により電圧信号が発生する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、分子解析のための質量分析器等において、加速された分子粒子が検出器の位置に到達したことを検知するための検出技術に関するものである。特に、本願発明において、高分子粒子とは、静電場等で運動エネルギーを付与されたＤＮＡフラグメント、ペプチド、蛋白質、それらの複合粒子などの生体分子を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析法などを使った質量分析器において、運動エネルギーを付与された蛋白質等生体分子の検出には、分子衝突に伴う二次電子放出とその後の電子増倍作用により電気信号を生成するマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）が一般的に用いられている。マイクロチャネルプレートでは、イオンの衝突により二次電子が動力学的に放出されるには、１０，０００Ｄａの分子では、１３０ｋｅＶ以上の衝突エネルギーが必要であると言われている（非特許文献１参照）。
【０００３】
飛行時間型質量分析法においては、加速エネルギーは、数１０ｋＶであるので、マイクロチャネルプレートでは、分子の質量数が高くなると電子放出効率（量子効率）が低下し、十分な検出感度が得られないことになる。また、量子効率の質量数、分子種、衝突エネルギー依存性といった検出器特性の詳しいデータは得られていない。検出効率を上げるために、イオンを検出器手前でさらに加速するポスト加速という方法が用いられる場合もある。しかし、この方法では質量分解能が低下する等の問題が発生し、根本的解決になっていない。
【０００４】
二次電子放出によらない高効率の検出原理として極低温で動作するものがある（特許文献１参照）。極低温検出器の一つのタイプは、イオン衝突によって生成されるフォノンが超伝導状態を担う電子対（クーパー対）を壊すことを検出原理としている。他のものはイオン衝撃により起こる吸収体の温度上昇を極低温で動作する温度計で測定することにより、イオンを検出する。これらの極低温検出器では、分子種、質量数に依存せず１００％近い量子効率でイオンを検出することができる。
【０００５】
しかしながら、極低温検出器の有感面積は、一辺が高々数１００μｍであり、数ｃｍのサイズのＭＣＰと比べると余りにも小さく、実用には向かない。
【０００６】
上記極低温検出器は、検出器の動作に０．１Ｋ程度の極低温環境が必要とされる。このため、液体ヘリウムだけでは動作せず、希釈冷凍機や断熱消磁冷凍機といった機器が必要となる。
【０００７】
上記極低温検出器においては、イオン衝撃によって生成される電気信号の立ち上がり時間は、例えば、約１μｓであり、時間分解能は、１００ｎｓである（非特許文献２参照）。この値は、飛行時間型質量分析法における望ましいｎｓ程度の時間分解能より悪い。
【０００８】
上記極低温検出器の電気信号の立ち下がり時間は、１μｓから１ｍｓ程度であり、イオンカウンティングモードにおいては、解析に必要な質量スペクトルを得るのに、時間分解能がｎｓ程度のＭＣＰと比較して例えば１０００倍の測定時間が必要となる。
【０００９】
【特許文献１】
特表平１０−５０５４１７号公報
【非特許文献１】
J. C. Vickerman and D. Briggs編「ToF-SIMS: Surface Analysis by Mass Spectrometry」, IM Publications and Surface Spectra Limited, 2002, p.1.
【非特許文献２】
Applied Physics Letters, vol. 68(24), 3503-3505 (1996).
【非特許文献３】
Physical Review vol. 175, pp.537-542 (1968).
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来、生体分子の分子種、質量数に依存せず、高い量子効率で分子を検出できる検出器で、ｃｍサイズの有感面積、ＭＣＰに匹敵するか、あるいは上回る応答速度を実現することが困難であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、超伝導薄膜によりストリップ線路を構成する。このストリップ線路は、超伝導転移温度以下の温度に保たれ、超伝導臨界電流より小さい直流定電流または交流電流により駆動されている。上記極低温検出器と異なるのは、検出素子全体の温度上昇を使うのではなく、電気信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を速くするために、イオン衝撃により局所的に励起されるフォノン、電子または局所的温度上昇を介して生成される電子励起状態の密度が高い領域（以下「ホットスポット」という。）を使うことである。
【００１２】
ホットスポット中においては、超伝導状態が壊れて常伝導状態が出現する。生体分子イオンのエネルギーは、数１０ｋｅＶであるので、これにより、ストリップ線路の一部のみが常伝導状態に転移し、抵抗変化により電圧信号が発生する。この励起状態の立ち上がり時間と立ち下がり時間は、速いものでは、数ｐｓと１ｎｓ以下である。ストリップ線路は、自由に引き回せるために、長く引き回すことにより、任意の有感面積を実現でき、１ｃｍ²以上も可能である。以上により、極低温検出器の特徴である、高い量子効率を保ったまま、高速性と必要な有感面積を実現することができる。
【００１３】
イオン衝撃は、このストリップのどの場所において生じても、電圧信号を生成する。したがって、従来技術のように極低温検出器全体の温度上昇の必要がなく、速い応答が可能となる。
【００１４】
また、イオン衝撃によって生成されたフォノンを超伝導トンネル接合で検出する場合には、この検出器は、超伝導転移温度の１／１０で動作するため、クーパー対が壊れた準粒子が再結合する緩和時間が１〜１０μｓ程度であり、時間応答が遅くなるのに対して、本願発明の検出器においては、超伝導転移温度付近でも動作させることができ、準粒子再結合緩和時間（寿命）を無視できるほど速くできる。
【００１５】
ストリップラインの幅と膜厚は、分子のエネルギーにもよるが、イオン衝撃時にストリップの一部が常伝導に転移するように調整しなければならない。
【００１６】
ストリップに定電流を流している場合には、微小な抵抗が発生したときにＩ²Ｒ（Ｉ：電流、Ｒ：抵抗）の発熱が生じる。これは局所的な温度上昇に繋がり、さらに抵抗の上昇が生じる。この正帰還により微小な抵抗変化を増幅することができる。この場合、超伝導薄膜と基板との熱伝達係数を変えることにより、増幅の度合いを変えることができる。
【００１７】
超伝導状態への復帰する時間は、基板の温度、バイアス電流量、熱伝達係数、ストリップの熱容量により変えることができる。また、検出器と直列に抵抗を繋ぎ、その両端に定電圧を印可することにより、負帰還を掛けることもでき、超伝導状態に復帰する時間を調整することもできる。
【００１８】
【実施例１】
図１は、超伝導体Ｎｂ薄膜を用いた高分子検出器の例である。薄膜をＳｉまたはＡｌ₂Ｏ₃などの基板上にストリップ状に配置することにより、有感面積を大きくすることができる。Ｎｂの単一層の代わりに、ＮｂとＡｌを組み合わせることも可能である。この場合、ＮｂとＡｌの厚みを変えることにより、超伝導転移温度をＮｂの超伝導転移温度９．３ＫとＡｌの超伝導転移温度１．２Ｋの間で制御することが可能である。これは、近接効果として知られている（非特許文献３参照）。これにより、転移温度を５Ｋに制御して超伝導転移温度近傍で動作させることができる。
【００１９】
超伝導転移温度以下に冷却された超伝導ストリップは、直流または交流により電流バイアスされている。分子の入射がないときには超伝導状態であるので、両端に電圧は発生しない。生体分子の衝突により、ストリップの一部に抵抗が生じると電圧パルスを生じる。複数の部分に同時に分子が衝突したときには、電圧の波高値から、入射分子の数を知ることができる。
【００２０】
【実施例２】
図２は、本願発明の検出器を飛行時間型質量分析装置に搭載した例である。例えば、マトリックス支援レーザ脱離イオン化法により、イオン化された生体分子は、加速電界により加速され検出器に向かって飛行する。イオン発生時刻ｔ１と、検出器に到達した時刻ｔ２の時間差、ｔ２−ｔ１から生体分子とその電荷の比ｍ／ｚを決定することができる。
【００２１】
本願発明の分子検出器は、超伝導状態で動作するために、超伝導転移温度以下に冷却する必要があり、クライオスタット内で必要な温度に冷却される。本願発明の検出器は、飛行時間型質量分析法以外にも、種々の質量分析装置の検出部として使用可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本願発明は、超伝導体中に分子衝撃によりクーパー対が壊されることにより、常伝導に転移することを利用して、生体分子の種類、質量数、エネルギーに依存しない検出効率を実現するものである。さらに、従来の極低温検出器の欠点であった、有感面積と時間応答特性を改善するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る生体分子検出器の実施例
【図２】本願発明に係る生体分子検出器を飛行時間型質量分析装置に搭載した実施例

Claims

超伝導体を有する粒子検出器であり、粒子の衝撃により超伝導薄膜中に局所的に生じるホットスポットの電気抵抗変化を計測することにより、該粒子の該薄膜に到達したことを検知することを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記電気抵抗変化の大きさに基づいて、該検出器に同時に到来した粒子の量を計測することを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記超伝導膜は、単一の元素又は化合物の一層構造から成ることを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記超伝導膜は、種類の異なる超伝導体又は超伝導体と常伝導体の多層膜から成ることを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記超伝導膜には定電流バイアスがかけられており、正帰還が生じる構成となっていることを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記粒子は、高分子粒子であることを特徴とする粒子検出器。
請求項１記載の粒子検出器において、上記超伝導薄膜は、ストリップラインであることを特徴とする粒子検出器。