JP2007157353A - Imaging mass spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イメージング質量分析装置に関するものであり、特に、試料を構成する原子および分子の空間的な位置情報と質量情報との両方を同時に測定できるイメージング飛行時間型質量分析装置に関するものである。 The present invention relates to an imaging mass spectrometer, and more particularly to an imaging time-of-flight mass spectrometer that can simultaneously measure both spatial position information and mass information of atoms and molecules constituting a sample.
イメージング質量分析とは、イオン生成が行われる試料表面上の部位を極小化し、かつ、その部位を任意に制御することにより、試料表面上における物質の局在状態を観察する技術である。簡単に言えば、イメージング質量分析とは、試料の微細な2次元空間イメージと、試料を構成する原子および分子の質量情報とを同時に取得する技術である。 Imaging mass spectrometry is a technique for observing a localized state of a substance on a sample surface by minimizing a site on the sample surface where ion generation is performed and arbitrarily controlling the site. Simply put, imaging mass spectrometry is a technique for simultaneously acquiring a fine two-dimensional spatial image of a sample and mass information of atoms and molecules constituting the sample.
図10に従来型のイメージング質量分析装置の構成例を示す。図10に示すように、従来型のイメージング質量分析装置500は、イオン源100と、分析部200と、検出部300と、データ処理部400とからなる。イオン源100では、レーザーや、高速荷電粒子、中性粒子試料を用いて、試料をイオン化する。試料のイオン化にレーザーを用いる場合には、レーザー光を微小に絞り、試料に照射する。同様に、高速荷電粒子や中性粒子試料を用いて試料をイオン化する場合には、高速荷電粒子や中性粒子を収束させて照射する。
FIG. 10 shows a configuration example of a conventional imaging mass spectrometer. As shown in FIG. 10, the conventional imaging mass spectrometer 500 includes an
上記イオン源100において上記試料の微小スポットから脱離/イオン化したイオンを、分析部200に導入し、質量分析を行う。図10(b)に示すように、分析部200として飛行時間型質量分析計を用いている。飛行時間型質量分析計を用いると、全質量範囲について同時に質量分析を行えるため、効率よくイメージング質量分析を行うことができる。ただし、この場合、レーザー光や荷電粒子ビームのビーム径が空間的な分解能を制限する。例えば、レーザー光の場合、波長程度までしか収束させることができないため、空間分解能は1ミクロン程度が限界となる。また、荷電粒子ビームの場合、空間電荷効果があるため、0.1ミクロン程度が限界である。
In the
また、このように微小に収束させたレーザー光などを用いて広い空間のイメージを取得するためには、微小に絞ったビームを2次元に連続的にスキャンする必要があり、全範囲のスキャンには多大な時間を要する。 In addition, in order to acquire an image of a wide space using such a finely focused laser beam, it is necessary to continuously scan a finely focused beam in two dimensions, and to scan the entire range. Takes a lot of time.
さらに、上記分析部200としては、磁場型質量分析計を用いることもできる。磁場型質量分析計を用いる場合には、上記イオン源100では、試料の広い範囲に荷電粒子ビームを照射し、試料をイオン化させ、出てきたイオンを磁場型質量分析装置で質量選択し、位置情報を取得できる検出部300(位置検出器)でイオン強度と位置情報とを得る。分析部200が空間的な収束を満たしていれば、サンプル表面の位置情報を維持したまま検出部300に到達するので、イメージング質量分析を行うことができる。
Furthermore, a magnetic field type mass spectrometer can be used as the
ところで、近年、本発明者らは、質量分解能が高く、さらにイオン像を歪ませない質量分析計を開発した(非特許文献1を参照)。具体的には、上記質量分析計は、複数の扇形電場と、複数の四重極レンズとを用いて構成される、イオンが同一飛行空間を複数回、周回することができる多重周回飛行時間型質量分析計である。当該質量分析計では、イオンの飛行距離が従来の飛行時間型質量分析計よりも大幅に長いので、質量分解能を向上させることができる。
近年、生物学や医学、薬学分野などにおいて、細胞や組織といった生物試料のように、比較的大きな試料に対して、イメージング質量分析を行うことが求められている。生物試料のイメージング質量分析では、測定対象が組織のような比較的大きな試料である。また、測定に求められる分解能は、細胞レベルでの測定が可能な高い分解能である。さらに、生物試料は、構成成分が非常に多いが、これらの構成成分をできるだけ多く、同時に測定することが求められる。 In recent years, in the fields of biology, medicine, pharmacy, and the like, it has been required to perform imaging mass spectrometry on relatively large samples such as biological samples such as cells and tissues. In imaging mass spectrometry of a biological sample, the measurement target is a relatively large sample such as a tissue. Further, the resolution required for measurement is high resolution that enables measurement at the cell level. Furthermore, although a biological sample has very many components, it is required to measure these components as many as possible at the same time.
しかしながら、従来のイメージング質量分析装置では、試料の広い範囲を、短時間に、高い空間分解能で測定することはできない。具体的には、質量分析計として飛行時間型質量分析計を備える従来のイメージング質量分析装置では、微小に絞ったレーザー光や荷電粒子ビームなどをサンプルに照射してスキャンするので、空間分解能が制限され、かつ広い範囲の測定には時間を要するという問題がある。 However, a conventional imaging mass spectrometer cannot measure a wide range of a sample in a short time with high spatial resolution. Specifically, a conventional imaging mass spectrometer equipped with a time-of-flight mass spectrometer as a mass spectrometer scans a sample by irradiating it with a finely focused laser beam or charged particle beam, which limits spatial resolution. In addition, there is a problem that a wide range of measurement requires time.
一方、磁場型質量分析計を備えるイメージング質量分析装置では、磁場で特定の質量のみを選択し、それ以外は排除してしまうため、同じ位置について全質量範囲の測定はできないという問題がある。 On the other hand, in an imaging mass spectrometer equipped with a magnetic field type mass spectrometer, only a specific mass is selected in the magnetic field, and others are excluded, so that there is a problem that the entire mass range cannot be measured at the same position.
また、イメージング質量分析装置において、試料の広い範囲を、短時間に、高い空間分解能で測定することを実現するには、質量分析計の改良のみならず、イオン源や検出器などの改良も行う必要がある。そのため、上記非特許文献1に記載されているような質量分析計が存在するものの、試料の広い範囲を、短時間に、高い空間分解能で測定するイメージング質量分析装置は開発されていない。
In addition, in the imaging mass spectrometer, in order to measure a wide range of samples in a short time with high spatial resolution, not only the mass spectrometer but also the ion source and detector are improved. There is a need. For this reason, although there is a mass spectrometer as described in Non-Patent
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、試料を構成する原子および分子の空間的な位置情報と質量情報との両方を同時に高分解能で、しかも高速に測定できるイメージング飛行時間型質量分析装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is imaging capable of simultaneously measuring both spatial position information and mass information of atoms and molecules constituting a sample with high resolution and at high speed. It is to provide a time-of-flight mass spectrometer.
本発明にかかるイメージング質量分析装置は、上記課題を解決するために、試料の広い範囲を同時にイオン化するイオン源と、上記イオン源で生じる試料のイオン像をそのまま維持し、かつ、イオンを質量分離する分析部と、イオンの到達位置および飛行時間を同時に検出する検出部と、を備え、上記イオン源には、上記試料のイオン像をそのまま引き出すレンズ系が備えられていることを特徴としている。 In order to solve the above problems, an imaging mass spectrometer according to the present invention maintains an ion image of a sample that is ionized over a wide range of a sample at the same time, and a sample generated in the ion source, and mass-separates ions. And a detection unit that simultaneously detects the arrival position and time of flight of the ions, and the ion source includes a lens system that extracts the ion image of the sample as it is.
上記構成によれば、イオン源では、試料の広い範囲が同時にイオン化される。上記イオン源は、上記試料のイオン像を崩すことなく、そのまま引き出すレンズ系を備えているため、当該試料のイオンは、そのイオン像を保ったまま、分析部に送られる。上記分析部では、上記イオン源で生じる試料のイオン像を崩すことなく、そのままのイオン像を維持したまま、試料の各イオンは質量分離される。また、検出部では、上記分析部から送られてきた上記試料のそれぞれのイオンの到達位置を検出するとともに、イオンの飛行時間を測定する。そのため、試料の各イオンの位置情報を元に、イオン像を像として捉えることが可能となり、高い位置分解能で、検出部である検出器の像に反映することができるという効果を奏する。さらに、試料のイオンの質量を知ることができるため、検出部で検出したイオン像と、質量情報とを統合することにより、試料のイメージング質量分析を行うことができるという効果を奏する。 According to the above configuration, in the ion source, a wide range of the sample is ionized simultaneously. Since the ion source includes a lens system that directly extracts the sample without destroying the ion image of the sample, the ion of the sample is sent to the analysis unit while maintaining the ion image. In the analysis unit, each ion of the sample is mass-separated while maintaining the ion image as it is without destroying the ion image of the sample generated in the ion source. Further, the detection unit detects the arrival position of each ion of the sample sent from the analysis unit and measures the flight time of the ions. For this reason, it is possible to capture an ion image as an image based on the position information of each ion of the sample, and it is possible to reflect the image on a detector as a detection unit with high position resolution. Furthermore, since the mass of the ion of the sample can be known, there is an effect that the imaging mass analysis of the sample can be performed by integrating the ion image detected by the detection unit and the mass information.
また、上記イオン源では、試料の広い範囲が同時にイオン化されるため、分析対象となる試料が大きい場合であっても、測定回数(スキャン回数)は、少なくてよい。それゆえ、短い時間で試料の広い範囲のイメージング質量分析を行えるという効果を奏する。 In the ion source, since a wide range of the sample is ionized at the same time, even if the sample to be analyzed is large, the number of measurements (the number of scans) may be small. Therefore, there is an effect that imaging mass spectrometry of a wide range of a sample can be performed in a short time.
本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記イオン源は、ビーム径が大きなレーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームを試料に照射し、試料をイオン化することが好ましい。 In the imaging mass spectrometer according to the present invention, the ion source is preferably ionized by irradiating the sample with a laser beam, charged particle or neutral particle beam having a large beam diameter.
上記構成によれば、試料のイオン化に用いるレーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームは、細く収束されておらず、ビーム径が大きいため、レーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームは、試料の広い範囲に同時に照射される。それゆえ、試料の広い範囲を同時にイオン化できるという効果を奏する。 According to the above configuration, the laser beam, charged particle, or neutral particle beam used for ionization of the sample is not focused finely and has a large beam diameter. A wide area is irradiated simultaneously. Therefore, there is an effect that a wide range of the sample can be ionized simultaneously.
また、レーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームを試料の広い範囲に照射するため、レーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームの径によって、位置分解能が制限されることがない。それゆえ、試料の広い範囲のイメージを同時に取得できるという効果を奏する。 In addition, since the laser beam, charged particle or neutral particle beam is irradiated to a wide range of the sample, the position resolution is not limited by the diameter of the laser beam, charged particle or neutral particle beam. Therefore, there is an effect that a wide range image of the sample can be acquired simultaneously.
本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記レンズ系は、引き出し電極と、静電レンズ群とから構成されることが好ましい。 In the imaging mass spectrometer according to the present invention, it is preferable that the lens system includes an extraction electrode and an electrostatic lens group.
上記構成によれば、イオン源に備えられる試料台を、分析する脱離イオンと同じ符号の直流の高電位に保ち、上記引き出し電極を、接地電位に保つことにより、試料からの脱離イオンは、上記試料台と引き出し電極との間の高電界によって加速され、上記試料台の法線方向に大きな速度成分を獲得することができる。さらに、上記脱離イオンの上記試料台の法線方向への速度成分を大きくするために、上記試料台と引き出し電極との間隔は、放電を発生しない程度に十分短くすることが好ましい。 According to the above configuration, the sample stage provided in the ion source is maintained at a high direct current potential with the same sign as the desorbed ions to be analyzed, and the desorption ions from the sample are maintained by maintaining the extraction electrode at the ground potential. Accelerated by a high electric field between the sample stage and the extraction electrode, a large velocity component can be obtained in the normal direction of the sample stage. Furthermore, in order to increase the velocity component of the desorbed ions in the normal direction of the sample stage, it is preferable that the interval between the sample stage and the extraction electrode be sufficiently short so that no discharge is generated.
したがって、上記構成によれば、上記速度成分は、脱離イオンの等方位的な初速度よりも十分大きく、脱離イオンの射出角の分散は相対的に圧縮されるため、脱離イオン像を、そのまま保持した状態で引き出すことができるという効果を奏する。 Therefore, according to the above configuration, the velocity component is sufficiently larger than the isotropic initial velocity of the desorbed ions, and the dispersion of the emission angles of the desorbed ions is relatively compressed. There is an effect that it can be pulled out while being held as it is.
また、上記レンズ系においては、上記引き出し電極の後方に、静電レンズ群が配置される。それゆえ、脱離イオンビームの広がりが抑制され、試料のイオン像をそのまま引き出すことができるという効果を奏する。 In the lens system, an electrostatic lens group is disposed behind the extraction electrode. Therefore, the spread of the desorbed ion beam is suppressed, and the ion image of the sample can be extracted as it is.
本発明にかかるイメージング質量分析装置は、上記課題を解決するために、上記イオン像を拡大または縮小する拡大・縮小レンズ群をさらに備えることが好ましい。 In order to solve the above-described problems, the imaging mass spectrometer according to the present invention preferably further includes a magnifying / reducing lens group for enlarging or reducing the ion image.
上記構成によれば、自由にイオン像を拡大縮小することが可能となるため、イオン像の大きさを、検出部として用いる検出器のサイズに合わせて変更することができる。それゆえ、検出器の空間分解能が不十分な場合であっても、像を拡大することで必要な空間分解能を得ることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the ion image can be freely enlarged and reduced, the size of the ion image can be changed according to the size of the detector used as the detection unit. Therefore, even when the spatial resolution of the detector is insufficient, there is an effect that the necessary spatial resolution can be obtained by enlarging the image.
本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記拡大・縮小レンズ群は、静電レンズ群であることが好ましい。 In the imaging mass spectrometer according to the present invention, the magnifying / reducing lens group is preferably an electrostatic lens group.
上記静電レンズ群は、質量収差がないため、上記構成とすることにより、全ての質量域において分析を行うことができるという効果を奏する。 Since the electrostatic lens group has no mass aberration, the above configuration has an effect that analysis can be performed in the entire mass region.
本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記分析部は、直線型飛行時間型質量分析計であることが好ましい。 In the imaging mass spectrometer according to the present invention, the analysis unit is preferably a linear time-of-flight mass spectrometer.
上記構成によれば、分析部として、飛行時間型質量分析計を備えているため、全質量範囲の測定も同時に行えるという効果を奏する。 According to the said structure, since the time-of-flight mass spectrometer is provided as an analysis part, there exists an effect that the measurement of the whole mass range can also be performed simultaneously.
また、本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記分析部は、複数の扇形電場で構成される飛行時間型質量分析計であることが好ましい。 In the imaging mass spectrometer according to the present invention, the analysis unit is preferably a time-of-flight mass spectrometer composed of a plurality of electric fields.
上記構成によれば、試料のイオンの飛行距離が長くなる。飛行時間型質量分析計の特性として、イオンの飛行距離を延ばすと、質量分解能が高くなる傾向がある。また、上記扇形電場を用いることにより、イオンを時間的に収束させることができる。それゆえ、上記構成とよれば、質量分解能を向上させることができるという効果を奏する。 According to the said structure, the flight distance of the ion of a sample becomes long. As a characteristic of the time-of-flight mass spectrometer, when the flight distance of ions is extended, the mass resolution tends to increase. Moreover, ion can be converged temporally by using the above-mentioned sector electric field. Therefore, according to the above configuration, the mass resolution can be improved.
さらに、本発明にかかるイメージング質量分析装置において、上記分析部は、直線型飛行時間型質量分析計と、複数の扇形電場で構成され、同一飛行空間を複数回周回させる多重周回飛行時間型質量分析計とからなることが好ましい。 Further, in the imaging mass spectrometer according to the present invention, the analysis unit is composed of a linear time-of-flight mass spectrometer and a plurality of fan electric fields, and a multi-turn time-of-flight mass analysis that makes a round of the same flight space. It is preferable to consist of a total.
上記構成によれば、試料のイオンは、同一軌道上を複数回周回することが可能となるため、上記試料のイオンの飛行距離が長くなる。さらに、扇形電場を用いているので、イオンを時間的に収束させることができる。それゆえ、質量分解能を向上させることができるという効果を奏する。また、イオンは、空間的に収束されるため、空間分解能を向上させることができる。 According to the above configuration, the ions of the sample can circulate a plurality of times on the same orbit, so that the flight distance of the ions of the sample becomes long. Furthermore, since a sector electric field is used, ions can be converged in time. Therefore, there is an effect that the mass resolution can be improved. Further, since ions are spatially focused, the spatial resolution can be improved.
本発明にかかるイメージング質量分析装置は、以上のように、試料の広い範囲を同時にイオン化し、当該試料のイオン像を崩すことなく検出し、かつ当該試料の各イオンの質量を測定する構成である。それゆえ、試料表面の化学的微細構造をサブミクロンオーダーの空間分解能で高速に解析できるという効果を奏する。 As described above, the imaging mass spectrometer according to the present invention is configured to ionize a wide range of a sample at the same time, detect the ion image of the sample without destroying it, and measure the mass of each ion of the sample. . Therefore, the chemical fine structure on the sample surface can be analyzed at high speed with a spatial resolution of the order of submicrons.
〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について図1および図2に基づいて説明すると以下の通りであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this.
本実施形態にかかるイメージング質量分析装置1は、図1に示すように、試料の広い範囲を同時にイオン化することができるイオン源10と、上記イオン源で生じる試料のイオン像をそのまま維持し、かつ、イオンを質量分離する分析部20と、イオンの到達位置および飛行時間を同時に検出可能な検出部30と、データ処理部40とを備えている。また、イオン源10には、図2に示すように上記試料のイオン像をそのまま引き出すレンズ系60が備えられている。
As shown in FIG. 1, an
上記イオン源10は、試料の広い範囲を同時にイオン化することができるものであればよく、具体的な構成は特に限定されるものではない。具体的には、ビーム径が大きなレーザー光、荷電粒子または中性粒子ビームを試料に照射することにより、試料の広い範囲を同時にイオン化するものであることが好ましい。より具体的には、上記ビーム径は、0.5mm〜1mmであることが好ましい。
The
また、上記試料は、一般的に固相(凝縮相)であるので、上記イオン源10は、気体状のイオンを固相から直接生成できる脱離イオン化法により試料をイオン化できるものであることが好ましい。さらに、イオン生成部位を制御することができるイオン化法により、試料をイオン化できるものであることが好ましい。
In addition, since the sample is generally a solid phase (condensed phase), the
上記のようなイオン源としては、例えば、イオンビームを試料に照射する2次イオン質量分析(secondary ion mass spectrometry; SIMS)、レーザービームを照射するレーザー脱離イオン化(laser desorption/ionization; LDI)、高分子化合物のイオン化を補助するマトリックス(matrix)を試料表面に添加してレーザービームを照射するマトリックス支援レーザー脱離イオン化(matrix-assisted lase desorption/ionization; MALDI)、および高速原子衝撃イオン(fast atom bombardment; FAB)を挙げることができる。 Examples of the ion source include secondary ion mass spectrometry (SIMS) for irradiating a sample with an ion beam, laser desorption / ionization (LDI) for irradiating a laser beam, Matrix-assisted lase desorption / ionization (MALDI), in which a matrix that assists ionization of polymer compounds is added to the sample surface and irradiated with a laser beam, and fast atom bombardment ions (fast atom) bombardment; FAB).
上記のようなイオン源を用いることにより、イオン源10において、一次ビーム、すなわち、レーザー光あるいは荷電粒子ビームを試料の広い範囲に照射し、試料をイオン化することができる。
By using the ion source as described above, the
イオン源10について、図2に基づき、より具体的に説明すると、以下の通りであるが、本発明にかかるイオン源はこれに限定されるものではない。
The
図2は、イオン源10の要部を模式的に示したものである。図2に示すように、イオン源10には、上記試料のイオン像をそのまま引き出すレンズ系60が備えられている。上記レンズ系60は、引き出し電極とアインツェルレンズとから構成される。上記引き出し電極は、一次ビームの進路を干渉しないように、複数の電極を配置した構造となっている。
FIG. 2 schematically shows a main part of the
また、イオン源10では、上述したように、一次ビーム、すなわち、レーザー光あるいは荷電粒子ビームを試料の広い範囲に照射し、試料をイオン化する。このとき、一次ビーム用の光学部品が脱離イオンの軌道を干渉すると、試料のイオン像が乱れることとなる。したがって、イオン源10では、一次ビーム用の光学部品が脱離イオンの軌道を干渉しないように、一次ビーム用の光学部品を配置した構造とする必要がある。
Further, in the
イオン源10に備えられる試料台は、分析する脱離イオンと同じ符号の直流の高電位に保たれる。また、上記引き出し電極は、接地電位に保たれる。さらに、上記試料台と引き出し電極との間隔は、放電を発生しない程度に十分短くする。
The sample stage provided in the
このような構成とすることにより、脱離イオンは、上記試料台と引き出し電極との間の高電界によって加速され、上記試料台の法線方向に大きな速度成分を獲得することができる。また、上記速度成分は、脱離イオンの等方位的な初速度よりも十分大きく、脱離イオンの射出角の分散は相対的に圧縮される。そのため、脱離イオン像を、そのまま保持した状態で引き出すことができる。 With such a configuration, the desorbed ions are accelerated by a high electric field between the sample stage and the extraction electrode, and a large velocity component can be obtained in the normal direction of the sample stage. Further, the velocity component is sufficiently larger than the isotropic initial velocity of the desorbed ions, and the dispersion of the emission angles of the desorbed ions is relatively compressed. For this reason, the desorption ion image can be extracted while being held as it is.
また、レンズ系60は、上記引き出し電極の後方に、加速型アインツェルレンズを配置している。それゆえ、脱離イオンビームの広がりを抑制する、つまり、試料のイオンが分散してイオン像が乱れるのを抑制することができる。 In the lens system 60, an acceleration type Einzel lens is disposed behind the extraction electrode. Therefore, the spread of the desorption ion beam can be suppressed, that is, the ion image can be prevented from being dispersed and the ion image being disturbed.
レンズ系60には、さらにアインツェルレンズの後方に、脱離イオンビームをコリメートするための四重極型界浸レンズを配置してもよい。これにより、さらに、脱離イオンビームの広がりを抑制することができる。 The lens system 60 may further include a quadrupole immersion lens for collimating the desorbed ion beam behind the Einzel lens. Thereby, the spread of the desorption ion beam can be further suppressed.
なお、上記レンズ系60は、加速型アインツェルレンズを備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、加速型アインツェルレンズ以外の静電レンズ群を加速型アインツェルレンズの代わりに用いることができる。 The lens system 60 includes an acceleration type Einzel lens. However, the present invention is not limited to this, and an electrostatic lens group other than the acceleration type Einzel lens can be used instead of the acceleration type Einzel lens. Can be used.
上記試料は、特に限定されるものではないが、固体であることが好ましい。例えば、生物の細胞や組織、半導体などを挙げることができるが、これに限定されるものはない。 The sample is not particularly limited, but is preferably a solid. For example, biological cells and tissues, semiconductors, and the like can be mentioned, but there is no limitation thereto.
また、「試料の広い範囲」とは、特にその面積や形状を限定するものではないが、一辺が0.5mm〜1mmの正方形や、それと同じ面積を有する円、楕円や多角形の範囲であることが好ましい。 The “wide range of the sample” is not particularly limited in area or shape, but is a range of a square having a side of 0.5 mm to 1 mm, a circle, an ellipse, or a polygon having the same area. It is preferable.
分析部20は、上記イオン源で生じる試料のイオン像を崩すことなく維持し、イオンの質量の違いにより、それぞれのイオンを分離する。本実施形態では、分析部20は、図1(b)に示すように、直線型飛行時間型質量分析計である。分析部20として直線型飛行時間型質量分析計を用いる場合、複数個の多重極レンズを配置することが好ましい。上記構成とすれば、分析部20においてイオン像を維持する、すなわち、(x|α)=(x|δ)=(y|β)=0を満足することができる。すなわち、イオン源10でのイオン像を、そのまま、検出部30に像として到達させることができる。
The
上記検出部30は、イオンの到達位置と飛行時間とを同時に検出できるものであればよく、特に限定されるものではない。上記検出部30では、イオン源10からのイオンの飛行時間を測定する。これにより、そのイオンの質量を知ることができる。
The
また、上記検出部30では、イオン源10からのイオンの到達位置を検出する。イオンが到達した位置は、イオン源10での出発位置、すなわち試料表面での位置に相当する。すなわち、検出部30は、試料を構成する原子および分子の空間的な位置情報(換言すれば、試料のイメージ)と、質量情報(換言すれば、試料の構成物質)とを検出するものである。
The
上記検出部30としては、具体的には、高速MCP位置/時間検出システム(株式会社東京インスツルメンツ製)を用いることができる。また、検出部30は、MCP(マイクロチャンネルプレート)、蛍光板、および高速CCDカメラを組み合わせることによっても実現することができる。
Specifically, a high-speed MCP position / time detection system (manufactured by Tokyo Instruments Co., Ltd.) can be used as the
上記データ処理部40は、試料の質量と像との関係を処理するものであり、その具体的な構成は特に限定されるものではない。例えば、ソフトウェアなどにより実現することが可能である。また、本実施形態では、イメージング質量分析装置1は、データ処理部40を備えているが、本発明にかかるイメージング質量分析装置は、データ処理部40を備えていないものであってもよい。
The
〔実施の形態2〕
本発明の他の実施形態について図3に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1で用いた部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIG. For convenience of explanation, members having the same functions as those used in the first embodiment are denoted by the same member numbers, and description thereof is omitted.
本実施形態にかかるイメージング質量分析装置2は、図3に示すように、イオン源10と、分析部20と、イオン像を拡大または縮小する拡大・縮小レンズ群50と、検出部30と、データ処理部40とを備えている。実施の形態1でも述べたように、データ処理部40は、本発明にかかるイメージング質量分析装置に備えられていなくてもよい。
As shown in FIG. 3, the
上記拡大・縮小レンズ群50は、イオン像を崩すことなく拡大または縮小するものであればよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。例えば、静電レンズを1つまたは複数組み合わせた静電レンズ群、例えば、四重極レンズのトリプレット対により実現することができる。
The magnifying / reducing
これによれば、検出部30として用いる検出器のサイズに合わせて自由に像を拡大縮小することができる。また、検出部30に用いる検出器の空間分解能が不十分な場合であっても、像を拡大することで必要な空間分解能を得ることができる。
According to this, the image can be freely enlarged or reduced in accordance with the size of the detector used as the
〔実施の形態3〕
本発明の他の実施形態について図4および図5に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1および2で用いた部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS. For convenience of explanation, members having the same functions as those used in the first and second embodiments are given the same member numbers, and the description thereof is omitted.
本実施形態にかかるイメージング質量分析装置3は、図4に示すように、イオン源10と、分析部21と、拡大・縮小レンズ群50と、検出部30と、データ処理部40とを備えている。実施の形態1でも述べたように、データ処理部40は、本発明にかかるイメージング質量分析装置に備えられていなくてもよい。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態において、分析部21は、図4(b)に示すように、時間的・空間的な収束を満たす、複数の扇形電場を用いた飛行時間型質量分析計である。しかし、分析部21に用いる複数の扇形電場を用いた飛行時間型質量分析計は、図4(b)の構成に限定されるものではない。具体的には、イオンの時間的・空間的な収束を満たすように複数の扇形電場を配置し、イオンの進行方向を変更させることができる飛行時間型質量分析計であればよい。例えば、図5に示すような、4つの扇形電場をイオンが蛇行するように配置した飛行時間型質量分析計を用いることができる。これによれば、試料のイオンの飛行距離が延びるため、質量分解能を向上させることができる。なお、「イオンの時間的・空間的な収束」との用語については、後述するので、そちらを参照されたい。
In the present embodiment, the
〔実施の形態4〕
本発明の他の実施形態について図6および図7に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1〜3で用いた部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS. For convenience of explanation, members having the same functions as those used in
本実施形態にかかるイメージング質量分析装置4は、図6に示すように、イオン源10と、分析部22と、拡大・縮小レンズ群50と、検出部30と、データ処理部40とを備えている。実施の形態1でも述べたように、データ処理部40は、本発明にかかるイメージング質量分析装置に備えられていなくてもよい。
As shown in FIG. 6, the imaging mass spectrometer 4 according to the present embodiment includes an
本実施形態において、分析部22は、図6(b)に示すように、扇形電場を用いた多重周回飛行時間型質量分析計と直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせた質量分析計である。このように、多重周回飛行時間型質量分析計と直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせることにより、分析部22にイオンを投入したり、検出部30にイオンを送るために、分析部22からイオンを取り出したりすることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6B, the
試料が、細胞などの生体試料である場合、分析部には、高い質量分解能を有する質量分析計を用いることが好ましい。より具体的にいえば、一般に用いられている直線型飛行時間型質量分析計や、リフレクトロン型飛行時間型質量分析計、扇形電場型の飛行時間型質量分析計よりも、さらに高い質量分解能を有する質量分析計を用いることが望ましい。 When the sample is a biological sample such as a cell, it is preferable to use a mass spectrometer having high mass resolution for the analysis unit. More specifically, higher mass resolution than the commonly used linear time-of-flight mass spectrometer, reflectron type time-of-flight mass spectrometer, and sector electric field type time-of-flight mass spectrometer. It is desirable to use a mass spectrometer having the same.
本実施形態における分析部22は、上記の要件を満たす高質量分解能を有する質量分析計である。このような質量分析計では、イオンを、同一軌道上で複数回周回させることが可能であるため、飛行距離を伸ばすことができる。それゆえ、質量分解能を向上させることができる。
The
さらに、分析部22は、時間的・空間的にイオンを収束させる光学系を有するものである。
Furthermore, the
なお、本明細書において、「イオンを時間的に収束させる」とは、分析部に入る前と、分析部から出てきた後とで、質量の違いにより生じる飛行時間の違い以外については全く同じになる、すなわち、初期条件の違いに関係なく全く同じになることを意味する。 In this specification, “the ions are converged in time” is exactly the same except for the time of flight caused by the difference in mass before entering the analysis unit and after coming out of the analysis unit. That is, the same regardless of the difference in the initial conditions.
また、「イオンを空間的に収束させる」とは、分析部に入る前と、分析部から出てきた後とで、イオンの位置および角度が全く同じであることを意味するが、分析部に入る前と、分析部から出てきた後とで、イオン像は拡大または縮小されていてもよい。 In addition, “spatial convergence of ions” means that the position and angle of ions are the same before entering the analysis unit and after leaving the analysis unit. The ion image may be enlarged or reduced before entering and after coming out of the analysis unit.
つまり、「イオンを時間的・空間的に収束させる」とは、上記の時間的な収束と、空間的な収束とをともに満足させることであり、「イオンを完全収束させる」と称することもできる。 In other words, “to converge ions temporally and spatially” means to satisfy both the above temporal convergence and spatial convergence, and can also be referred to as “to completely converge ions”. .
上記構成によれば、イオンを複数回周回させても、イオンが時間的および空間的に広がることがない。つまり、同一飛行空間を複数回周回させても、空間的に像がゆがむことはなく,また質量以外の違いで飛行時間が異なることもない。それゆえ、感度および分解能を低下させることなく、周回を増やせば増やすほど、質量分解能を向上させることができる。その結果、イオン源部のイオン像を維持したまま、飛行距離(時間)を長くすることが可能となり、高い空間分解能および高い質量分解能で、高速測定することができる。 According to the above configuration, even if ions are circulated a plurality of times, the ions do not spread in time and space. That is, even if the same flight space is circulated a plurality of times, the image is not spatially distorted, and the flight time is not different due to differences other than the mass. Therefore, the mass resolution can be improved as the number of turns increases without lowering the sensitivity and resolution. As a result, it is possible to increase the flight distance (time) while maintaining the ion image of the ion source, and high-speed measurement can be performed with high spatial resolution and high mass resolution.
分析部22について、図7を用いてより具体的に説明すると、以下の通りであるが、分析部22は、以下に詳述する多重周回飛行時間型質量分析計と直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせた質量分析計に限定されるものではない。つまり、分析部22は、イオンを時間的・空間的に収束させることができるように、複数の電気四重極レンズ、および円筒状の静電扇形を配置した多重周回飛行時間型質量分析計と、直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせた質量分析計であればよい。
The
上記多重周回飛行時間型質量分析計としては、非特許文献1に開示されるMULTUMを用いることができる。MULTUMは、別々の4つのユニットから構成される。それぞれのユニットは、2つの静電四重極レンズ、および円筒状の静電扇形から構成される。上記円筒状の静電扇形の偏向半径は50mmである。また、偏向角度は156.87°、電極間の隙間は7.5mmである。また、イオンの加速電圧が1500Vである場合の印加電圧は、±225Vである。上記の四重極レンズの長さは10mmで、電極の内接円の半径は5mmである。交差点付近に位置する4つの四重極レンズ(図7中、Q4、Q5、Q12、およびQ13)に印加される電圧は、±16.57Vであり、その他のレンズ(図7中、Q2、Q7、Q10、およびQ15)に印加される電圧は、±49.04Vである。1周回の飛行距離は、1.284mである。
As the multi-round time-of-flight mass spectrometer, the MULTITU disclosed in
上記分析部22は、上記MULTUMと直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせることにより実現できる。なお、上記MULTUMと直線型飛行時間型質量分析計とを組み合わせた質量分析計を以下「MULTUM Linear plus」とも称する。上記MULTUMを直線型飛行時間型質量分析計と組み合わせることにより、分析部22にイオンを投入したり、検出部30にイオンを送るために、分析部22からイオンを取り出したりすることが可能となる。
The
また、分析部22には、上記MULTUM Linear plus以外にも、MULTUM Linear plusを改変した質量分析計を用いることもできる。そのような質量分析計としては、非特許文献1に記載のMULTUM IIを挙げることができる。なお、本明細書においては、上記MULTUM、MULTUM Linear plus、およびMULTUM IIの詳細については述べないが、これらについては、非特許文献1を参照されたい。
In addition to the above-mentioned MULTUM Linear plus, a mass spectrometer in which MULTUM Linear plus is modified can also be used for the
上記実施形態1〜4で説明したイメージング質量分析装置の動作を制御する方法は、特に限定されるものではない。イメージング質量分析装置の構成に応じて、試料を構成する原子および分子の空間的な位置情報と質量情報との両方を同時に高分解能で、しかも高速に測定できるように、その動作を制御すればよい。例えば、それらの制御は、ソフトウェアなどにより行うことができる。 The method for controlling the operation of the imaging mass spectrometer described in the first to fourth embodiments is not particularly limited. Depending on the configuration of the imaging mass spectrometer, it is only necessary to control the operation so that both spatial position information and mass information of the atoms and molecules constituting the sample can be measured simultaneously with high resolution and at high speed. . For example, such control can be performed by software or the like.
なお本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the configurations described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the technical means disclosed in different embodiments are appropriately combined. The obtained embodiment is also included in the technical scope of the present invention.
本発明について、実施例、並びに図8および図9に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。 The present invention will be described more specifically based on examples and FIG. 8 and FIG. 9, but the present invention is not limited to this. Those skilled in the art can make various changes, modifications, and alterations without departing from the scope of the present invention.
〔実施例1:イメージング質量分析装置の空間分解能および質量分解能のシミュレーション〕
分析部に、図5に示すように扇形電場を配置した飛行時間型質量分析計を備えるイメージング質量分析装置を用いて、試料を測定した場合に得られる空間分解能および質量分解能をシミュレーションにより検証した。その結果を図8に示す。
[Example 1: Simulation of spatial resolution and mass resolution of imaging mass spectrometer]
The spatial resolution and mass resolution obtained when the sample was measured were verified by simulation using an imaging mass spectrometer equipped with a time-of-flight mass spectrometer in which a sector electric field is arranged as shown in FIG. The result is shown in FIG.
なお、シミュレーションは、大阪大学において開発されたイオン軌道シミュレーションプログラム「TRIO−DRAW」を用いて、transfer matrix法により行った(M. Toyoda and T. Matsuo, Computer Program "TRIO-DRAW" for Displaying Ion Trajectory and Flight Time, Nucl. Instr. and Meth. A, 427 375-381 (1999)を参照)。図8(a)は、グラフの下左側に記載の初期条件で、グラフ上実線の形状のイオンパケットで出発した時に、周回後にどのような飛行時間ピークになっているかをシミュレーションしたものである。グラフ上破線は、シミュレーションした周回後のイオンの飛行時間ピークを示す。また、図8(b)は、左側パネル(Initial profile)に示す空間形状でイオンをパネル下に記載の初期条件で出射した時に、周回後にどのような空間形状で戻ってくるかをシミュレーションしたものである。右側パネル(Final profile)は、周回後のイオンの空間形状である。 The simulation was performed by the transfer matrix method using the ion trajectory simulation program “TRIO-DRAW” developed at Osaka University (M. Toyoda and T. Matsuo, Computer Program “TRIO-DRAW” for Displaying Ion Trajectory and Flight Time, Nucl. Instr. and Meth. A, 427 375-381 (1999)). FIG. 8A is a simulation of what time-of-flight peak is observed after a lap when starting with an ion packet having the shape of a solid line on the graph under the initial conditions described on the lower left side of the graph. The broken line on the graph indicates the time-of-flight peak of the ion after the simulated lap. Fig. 8 (b) shows a simulation of how the spatial shape returns after circulation when ions are emitted in the spatial shape shown in the left panel (Initial profile) under the initial conditions described below the panel. It is. The right panel (Final profile) is the spatial shape of ions after circulation.
図8(a)に示すように、質量分解能は、FWHMで10367と非常に高いものであった。また、図8(b)に示すように、イオンは、質量分析計内を飛行した後でも、分散することはなく、そのイオン像はほとんど歪まなかった。 As shown in FIG. 8 (a), the mass resolution was as high as 10367 in FWHM. Further, as shown in FIG. 8B, the ions were not dispersed even after flying in the mass spectrometer, and the ion image was hardly distorted.
〔実施例2:イメージング質量分析装置の空間分解能および質量分解能のシミュレーション〕
分析部に上述のMULTUM II(非特許文献1を参照)を備えるイメージング質量分析装置を用いて、試料を測定した場合に得られる空間分解能および質量分解能をシミュレーションにより検証した。その結果を図9に示す。
[Example 2: Simulation of spatial resolution and mass resolution of imaging mass spectrometer]
Using an imaging mass spectrometer equipped with the above-described MULTUM II (see Non-Patent Document 1) in the analysis unit, the spatial resolution and mass resolution obtained when the sample was measured were verified by simulation. The result is shown in FIG.
なお、シミュレーションは、実施例1と同様、大阪大学において開発されたイオン軌道シミュレーションプログラム「TRIO−DRAW」を用いて、transfer matrix法により行った(M. Toyoda and T. Matsuo, Computer Program "TRIO-DRAW" for Displaying Ion Trajectory and Flight Time, Nucl. Instr. and Meth. A, 427 375-381 (1999)を参照)。図9(a)は、グラフの下左側に記載の初期条件で、グラフ上実線の形状のイオンパケットで出発した時に、周回後にどのような飛行時間ピークになっているかをシミュレーションしたものである。グラフ上破線は、シミュレーションした周回後のイオンの飛行時間ピークを示す。また、図9(b)は、左側パネル(Initial profile)に示す空間形状でイオンをパネル下に記載の初期条件で出射した時に、周回後にどのような空間形状で戻ってくるかをシミュレーションしたものである。右側パネル(Final profile)は、周回後のイオンの空間形状である。 As in Example 1, the simulation was performed by the transfer matrix method using the ion orbit simulation program “TRIO-DRAW” developed at Osaka University (M. Toyoda and T. Matsuo, Computer Program “TRIO- DRAW "for Displaying Ion Trajectory and Flight Time, Nucl. Instr. And Meth. A, 427 375-381 (1999)). FIG. 9A is a simulation of what time-of-flight peak is observed after a lap when starting with an ion packet having a solid line shape on the graph under the initial conditions described on the lower left side of the graph. The broken line on the graph indicates the time-of-flight peak of the ion after the simulated lap. FIG. 9 (b) shows a simulation of how the spatial shape returns after circulation when ions are emitted in the spatial shape shown in the left panel (Initial profile) under the initial conditions described below the panel. It is. The right panel (Final profile) is the spatial shape of ions after circulation.
図9(a)に示すように、質量分解能は、FWHMで5592と非常に高いものであった。また、図9(b)に示すように、イオンは複数周回、質量分析計内を飛行しても、分散することはなく、そのイオン像はほとんど歪まなかった。 As shown in FIG. 9 (a), the mass resolution was as high as 5592 in FWHM. Further, as shown in FIG. 9B, even when the ions flew around the mass spectrometer a plurality of times, they were not dispersed and the ion image was hardly distorted.
なお本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態や実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された学術文献及び特許文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。 Note that the present invention is not limited to the configurations described above, and various modifications are possible within the scope of the claims, and technical means disclosed in different embodiments and examples respectively. Embodiments and examples obtained by appropriately combining them are also included in the technical scope of the present invention. In addition, all of the academic literatures and patent literatures described in this specification are incorporated herein by reference.
以上のように、本発明では、試料の広い範囲を同時にイオン化し、当該試料のイオン像を崩すことなく検出し、かつ同時に当該試料の各イオンの質量を測定するため、試料表面の化学的微細構造をサブミクロンオーダーの空間分解能で高速に解析できる。そのため、本発明は、半導体における不純物および母体原子の位置検出装置や、生命科学分野における細胞などのタンパク質や代謝物を含めたあらゆる生体分子について、サブミクロンオーダーの空間分解能で高速にイメージングを行う装置として用いることができる。本発明は、それだけではなく、病理診断方法、薬物動態研究、再生医療の基礎研究、組織工学での品質管理、プロテオーム解析やメタボローム解析を通した創薬研究、システムバイオロジーの構築などの生物学や医学分野の多岐の用途に用いることができる。さらには、質量に基づいて物質分布を観察することが求められるあらゆる産業技術分野に広く応用することが可能である。 As described above, in the present invention, since a wide range of a sample is ionized at the same time, the ion image of the sample is detected without breaking, and the mass of each ion of the sample is simultaneously measured, The structure can be analyzed at high speed with submicron order spatial resolution. Therefore, the present invention is a device that performs high-speed imaging with a spatial resolution of submicron order for all biomolecules including proteins and metabolites such as cells and the like in the field of life science, as well as position detection devices for impurities and host atoms in semiconductors. Can be used as In addition to this, the present invention is not limited to such methods as pathological diagnosis methods, pharmacokinetic studies, basic research in regenerative medicine, quality control in tissue engineering, drug discovery research through proteome analysis and metabolome analysis, and biology such as system biology construction. It can be used for various applications in the medical field. Furthermore, the present invention can be widely applied to all industrial technical fields in which it is required to observe a substance distribution based on mass.
1〜4 イメージング質量分析装置
10 イオン源
20〜22 分析部
30 検出部
40 データ処理部
50 拡大・縮小レンズ群
60 レンズ系
1-4
Claims (8)
上記イオン源で生じる試料のイオン像をそのまま維持し、かつ、イオンを質量分離する分析部と、
イオンの到達位置および飛行時間を同時に検出する検出部と、を備え、
上記イオン源には、上記試料のイオン像をそのまま引き出すレンズ系が備えられていることを特徴とするイメージング質量分析装置。 An ion source that simultaneously ionizes a wide range of samples;
An analyzer that maintains the ion image of the sample generated in the ion source as it is, and mass-separates the ions;
A detection unit that simultaneously detects the arrival position and time of flight of ions,
An imaging mass spectrometer characterized in that the ion source is provided with a lens system for extracting an ion image of the sample as it is.
直線型飛行時間型質量分析計と、
複数の扇形電場で構成され、同一飛行空間を複数回周回させる多重周回飛行時間型質量分析計と、からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のイメージング質量分析装置。 The analysis unit
A linear time-of-flight mass spectrometer,
The imaging mass spectrometer according to any one of claims 1 to 5, comprising a multi-turn time-of-flight mass spectrometer configured by a plurality of sector electric fields and rotating around the same flight space a plurality of times. .
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