JP2009164034A - Laser desorption ionization method, laser desorption ionization device, and mass spectroscope - Google Patents

Laser desorption ionization method, laser desorption ionization device, and mass spectroscope Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a high ion generation efficiency and secure a sufficient detection sensitivity even when a beam convergence diameter of laser beam is reduced to near the diffraction limit. <P>SOLUTION: The beam diameter of the laser beam emitted from a laser light source 1 is expanded by a beam expander 2, and immediately after that, it is made to pass through a circumferential light polarizer 3. Then, near an optical axis C, light energy is mutually offset by interference and energy distribution is formed into a doughnut-shape beam. The light is collected by a lens 4 and irradiated to a sample 5. The energy distribution of light spots on the sample 5 is doughnut-shaped, and even when light is collected to near the diffraction limit, the energy distribution shape does not change. Accordingly, two conditions are fulfilled that energy distribution stays within a limited range and there is a region having spatially low density in the energy distribution, and even in a mass analysis in a minute range, the high ion generation efficiency can be achieved, and the sufficient detection sensitivity can be secured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、試料をイオン化するためのレーザ脱離イオン化方法、この方法を実施するためのレーザ脱離イオン化装置、及び、このレーザ脱離イオン化装置を用いた質量分析装置に関する。   The present invention relates to a laser desorption / ionization method for ionizing a sample, a laser desorption / ionization apparatus for performing the method, and a mass spectrometer using the laser desorption / ionization apparatus.

レーザ脱離イオン化法(Laser Desorption /Ionization)は、試料にレーザ光を照射し、レーザ光を吸収した物質の内部で電荷の移動を促進させてイオン化を行うものである。また、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法(MALDI=Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization)は、レーザ光を吸収しにくい試料やタンパク質などレーザ光で損傷を受けやすい試料を分析するために、レーザ光を吸収し易く且つイオン化し易い物質をマトリクスとして試料に予め混合しておき、これにレーザ光を照射することで試料をイオン化するものである。特にMALDIを用いた質量分析装置、例えばMALDIと飛行時間型質量分析装置(TOFMS=Time of Flight Mass Spectrometer)とを組み合わせたMALDI−TOFMSは、分子量の大きな高分子化合物をあまり開裂させることなく分析することが可能であり、しかも微量分析にも好適であることから、近年、生命科学などの分野で広範に利用されている。なお、本明細書では、MALDIを含め、レーザ光を直接的又は間接的に試料に照射して試料成分のイオン化を行うイオン化法全般をレーザ脱離イオン化方法(LDIと略す)と呼ぶこととする。   Laser desorption / ionization is a method in which a sample is irradiated with laser light and ionization is performed by accelerating the movement of charges inside the substance that has absorbed the laser light. Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization (MALDI) absorbs laser light to analyze samples that are difficult to absorb laser light and samples that are easily damaged by laser light, such as proteins. A material that is easy to ionize and is easily ionized is mixed in advance in the sample as a matrix, and the sample is ionized by irradiating the sample with laser light. In particular, a mass spectrometer using MALDI, for example, MALDI-TOFMS in which MALDI and a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS = Time of Flight Mass Spectrometer) are combined, analyzes a polymer compound having a large molecular weight without much cleavage. In recent years, it has been widely used in fields such as life science. In this specification, the general ionization method including MALDI and ionizing sample components by directly or indirectly irradiating the sample with laser light is referred to as a laser desorption ionization method (abbreviated as LDI). .

上述のLDIを用いた質量分析装置では、照射レーザ光のスポット径を小さく絞り、その照射位置を試料上で2次元的に移動させながら各位置でそれぞれ質量分析を行うことにより、試料上で或る質量(厳密には質量電荷比m/z)を持つイオンの強度分布(2次元物質分布)を表す画像を得ることができる。こうした装置は、質量分析顕微鏡、顕微質量分析装置、或いはイメージング質量分析装置などとして知られており、特に、生化学分野、医療分野等において、生体内細胞に含まれるタンパク質の分布情報を得るといった応用が期待されている(例えば非特許文献1、特許文献1など参照)。   In the mass spectrometer using the above-mentioned LDI, the spot diameter of the irradiation laser beam is reduced, and the irradiation position is moved two-dimensionally on the sample, and mass spectrometry is performed at each position. An image representing the intensity distribution (two-dimensional substance distribution) of ions having a certain mass (strictly speaking, the mass-to-charge ratio m / z) can be obtained. Such an apparatus is known as a mass spectrometry microscope, a microscopic mass spectrometer, an imaging mass spectrometer, or the like. In particular, in the biochemistry field, the medical field, and the like, an application for obtaining distribution information of proteins contained in living cells. Is expected (see, for example, Non-Patent Document 1, Patent Document 1, etc.).

上記のような2次元物質分布画像を得る場合、様々な利用分野において試料についての有用な知見を得るには空間分解能が高いことが望ましい。そのためにはレーザ光の集束径を例えば数μm程度又はそれ以下まで絞る必要がある。従来の一般的なLDIでは、レーザ光源から放出されたガウシアンビームがレンズ光学系で集光されて試料に照射される。この場合、試料上でのレーザ光のエネルギー(光強度)分布は、光軸付近で最もエネルギーが大きなガウシアン分布を有しており、LDIに有効なエネルギー密度となる領域の面積が小さいことから、イオン発生量が少なく低い検出感度しか得られない。   When obtaining the two-dimensional substance distribution image as described above, it is desirable that the spatial resolution is high in order to obtain useful knowledge about the sample in various fields of use. For this purpose, it is necessary to reduce the focusing diameter of the laser light to, for example, about several μm or less. In conventional general LDI, a Gaussian beam emitted from a laser light source is condensed by a lens optical system and irradiated onto a sample. In this case, the energy (light intensity) distribution of the laser beam on the sample has a Gaussian distribution with the largest energy near the optical axis, and the area of the region having an energy density effective for LDI is small. Only low detection sensitivity can be obtained with low ion generation.

一方、主としてイオンの生成効率を上げるために、非特許文献2では、レーザ光源から放出されたレーザ光を整形することで、試料上で適宜離間した複数の光スポットを形成する試みが行われている。こうした目的のために、マルチモードファイバや、マイクロレンズアレイ、光拡散箔、有孔マスクなどの光学素子が利用できる。しかしながら、こうした光学素子を用いたとしても、元のレーザ光の光軸の周りの電磁界には大きな変化が生じないことから、スポット全体のエネルギー分布は単純なガウシアン分布を有する。そのため、回折限界近いサイズまでレーザ光を絞ると、イオン生成効率が悪く、満足し得る検出感度を得るのは難しい。   On the other hand, mainly in order to increase ion generation efficiency, Non-Patent Document 2 attempts to form a plurality of light spots that are appropriately spaced on a sample by shaping laser light emitted from a laser light source. Yes. For this purpose, optical elements such as multimode fibers, microlens arrays, light diffusion foils, and perforated masks can be used. However, even if such an optical element is used, since the electromagnetic field around the optical axis of the original laser beam does not change greatly, the energy distribution of the entire spot has a simple Gaussian distribution. Therefore, if the laser beam is narrowed down to a size close to the diffraction limit, the ion generation efficiency is poor and it is difficult to obtain a satisfactory detection sensitivity.

米国特許第5808300号明細書US Patent No. 5808300 内藤康秀、「生体試料を対象にした質量顕微鏡」、J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., Vol. 53, No. 3, 2005, pp. 125-132.Yasuhide Naito, “Mass Microscope for Biological Samples”, J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., Vol. 53, No. 3, 2005, pp. 125-132. アルミン・ホール(Armin Holle)、ほか3名、「オプティマイジング・ユーブイ・レーザ・フォーカス・プロファイルズ・フォー・インプルーブド・マルディ・パフォーマンス(Optimizing UV laser focus profiles for improved MALDI performance)」、ジャーナル・オブ・マス・スペクトロメトリ(Journal of Mass Spectrometry)、2006, 41, p.705-716Armin Holle and three others, “Optimizing UV laser focus profiles for improved MALDI performance”, Journal of Journal of Mass Spectrometry, 2006, 41, p.705-716

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、高い空間分解能を達成するためにレーザ光の集光径を絞った場合でも高い検出感度を達成することができるレーザ脱離イオン化方法、レーザ脱離イオン化装置、及び質量分析装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and its main purpose is a laser that can achieve high detection sensitivity even when the condensing diameter of laser light is reduced in order to achieve high spatial resolution. To provide a desorption ionization method, a laser desorption ionization apparatus, and a mass spectrometer.

上述の非特許文献2によれば、LDIで効率よくイオン化を行う、つまり検出感度を上げるには、次の2つの条件が必要とされることが示されている。
(1)試料の近傍で光エネルギーが有限の範囲の中に収まっていること。
(2)光エネルギー密度の小さな領域が空間的に存在していること。
非特許文献2では、上記条件を満たすためにレーザ光のスポット点を格子状に複数に分散させるような光学系が利用されている。しかしながら、各点のエネルギー分布はガウシアン分布であるため、回折限界に近い程度まで集光したときにLDIに対して最適なエネルギー分布にすることは難しい。そこで、本願発明者は、上記の条件を満たしつつ、且つ単純なガウシアン分布でないエネルギー分布を有するレーザ光として、ラゲール−ガウシアンビームのようなドーナツ状のエネルギー分布を持つレーザ光に着目した。
According to the above-mentioned Non-Patent Document 2, it is shown that the following two conditions are required to efficiently perform ionization by LDI, that is, to increase detection sensitivity.
(1) The light energy is within a finite range in the vicinity of the sample.
(2) A region having a small light energy density exists spatially.
Non-Patent Document 2 uses an optical system that disperses a plurality of spot points of a laser beam in a lattice shape in order to satisfy the above condition. However, since the energy distribution at each point is a Gaussian distribution, it is difficult to obtain an optimum energy distribution for LDI when the light is condensed to a degree close to the diffraction limit. Therefore, the inventor of the present application paid attention to a laser beam having a donut-shaped energy distribution such as a Laguerre-Gaussian beam as a laser beam that satisfies the above-described conditions and has an energy distribution that is not a simple Gaussian distribution.

即ち、上記課題を解決するために成された第1発明は、試料にレーザ光を照射することにより該試料に含まれる成分をイオン化するレーザ脱離イオン化方法であって、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状であるレーザ光を集光して試料に照射することを特徴としている。   That is, a first invention made to solve the above problems is a laser desorption ionization method in which a sample is irradiated with laser light to ionize components contained in the sample, and the beam is perpendicular to the optical axis. It is characterized by condensing laser light having a circular cross-sectional shape and irradiating the sample.

また上記課題を解決するために成された第2発明は、第1発明に係るレーザ脱離イオン化方法を実施するための装置であり、試料にレーザ光を照射することにより該試料に含まれる成分をイオン化するレーザ脱離イオン化装置であって、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状であるレーザ光を放出するレーザ照射手段と、そのレーザ光を集光して試料に照射する集光手段と、を備えることを特徴としている。   The second invention made to solve the above-mentioned problems is an apparatus for carrying out the laser desorption ionization method according to the first invention, and the components contained in the sample by irradiating the sample with laser light. Is a laser desorption ionization apparatus that ionizes a laser beam, a laser irradiation unit that emits laser light whose beam cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is annular, and a condensing unit that condenses the laser light and irradiates the sample It is characterized by providing these.

第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置により実施される第1発明に係るレーザ脱離イオン方法では、光軸に垂直な面でエネルギー分布をみたときに、光軸及びその近傍で略円形状にエネルギーがゼロであり、その周囲に円環状(ドーナツ状)にエネルギーが存在するようなレーザ光を試料に照射する。この断面形状は集光手段からの距離に依らず、光軸に沿った任意の位置で同じ断面形状(但し大きさは相違する)を保つ。即ち、ラゲール−ガウシアンビームと呼ばれるレーザ光である。   In the laser desorption ion method according to the first invention carried out by the laser desorption ionization apparatus according to the second invention, when the energy distribution is viewed in a plane perpendicular to the optical axis, the laser desorption ionization method has a substantially circular shape around the optical axis. The sample is irradiated with laser light that has zero energy and has an annular (doughnut-shaped) energy around it. This cross-sectional shape does not depend on the distance from the light collecting means, and maintains the same cross-sectional shape (however, the sizes are different) at an arbitrary position along the optical axis. That is, it is a laser beam called a Laguerre-Gaussian beam.

このとき、集光手段によりレーザ光の集束径を回折限界近くに絞っても、その外径は極度に大きく広がることはない。このようなレーザ光が試料に照射されると、レーザ光の中心(光軸)付近はエネルギー密度の低い空洞になり、この空洞は試料に直交する高さ方向に拡がりを持つ。また、ドーナツ状のスポットでは光エネルギーが極大となる部分が円周状になることから、多数のスポットが連続しているのと同等の条件が満たされる。即ち、上記で挙げた2つの条件、つまり、光スポットの近傍で光エネルギーが有限の範囲の中に入っていること、及び、光スポットの中にエネルギー密度の小さい領域が存在していること、をビーム断面形状が円環状となるビームで以て実現することができる。したがって、イオンを効率良く生成することができ、高い検出感度を達成することができる。   At this time, even if the converging diameter of the laser beam is reduced to near the diffraction limit by the condensing means, the outer diameter does not spread extremely greatly. When such a laser beam is irradiated onto the sample, the vicinity of the center (optical axis) of the laser beam becomes a cavity having a low energy density, and this cavity extends in the height direction perpendicular to the sample. In addition, in the donut-shaped spot, the portion where the light energy is maximized has a circular shape, and therefore, a condition equivalent to that a large number of spots are continuous is satisfied. That is, the two conditions mentioned above, that is, that the light energy is in a finite range in the vicinity of the light spot, and that a region having a low energy density exists in the light spot, Can be realized with a beam having a circular beam cross-sectional shape. Therefore, ions can be generated efficiently and high detection sensitivity can be achieved.

この第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置において、レーザ照射手段は種々の方法により光軸に垂直なビーム断面形状を円環状とすることができるが、装置の小形・軽量化、エネルギー分布の安定性(例えば時間的変動の小ささなど)などを考えると、レーザ照射手段は、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状になるように整形するビーム整形手段と、を含む構成とすることが好ましい。   In the laser desorption / ionization apparatus according to the second aspect of the present invention, the laser irradiation means can make the beam cross-sectional shape perpendicular to the optical axis circular by various methods, but the apparatus is small and light, and the energy distribution is stable. In consideration of the characteristics (for example, small temporal variation), the laser irradiation means is configured so that the laser light source and the laser light emitted from the laser light source have an annular shape in a beam cross section perpendicular to the optical axis. And a beam shaping means for shaping into a shape.

より具体的な一態様として、上記ビーム整形手段は、光軸を中心とする円周方向に偏光主軸が順次回転するように複数の半波長板が設けられた偏光光学素子を用いることができる。これは、例えば、円周状偏光子、Zポラライザなどとして知られるものである。また別の態様として、上記ビーム整形手段は、光軸を中心とする円周方向に厚さが連続的又は段階的に変化する屈折板から成る偏光光学素子を用いてもよい。これは、例えばスパイラル位相板などとして知られるものである。   As a more specific aspect, the beam shaping means can use a polarizing optical element provided with a plurality of half-wave plates so that the polarization main axis sequentially rotates in a circumferential direction centered on the optical axis. This is known, for example, as a circumferential polarizer, a Z polarizer or the like. As another aspect, the beam shaping means may use a polarizing optical element made of a refracting plate whose thickness changes continuously or stepwise in the circumferential direction around the optical axis. This is known, for example, as a spiral phase plate.

いずれの態様でも、それら偏光光学素子の挿入位置から後方(ビームの出射側)に所定距離離れた位置よりもさらに後方では、光軸に沿った中央部分で干渉によりエネルギーが打ち消し合い、ドーナツ状の光強度分布を示すビームが安定的に形成される。偏光光学素子自体の製造上の機械的な精度や当該素子の挿入位置(光軸合わせ)の精度は高いものが要求されるが、基本的に構造は簡素であり、機械的に駆動される部位もないため、コストの低減が容易であり、装置の小形・軽量化にも適している。   In any of the aspects, energy is canceled out by interference at the central portion along the optical axis at a position further away from the insertion position of the polarizing optical element to the rear (beam exit side) at a predetermined distance. A beam showing a light intensity distribution is stably formed. Although high accuracy is required for the manufacturing of the polarizing optical element itself and the accuracy of the insertion position (optical axis alignment) of the element, the structure is basically simple and the part is mechanically driven. Therefore, the cost can be easily reduced, and it is suitable for reducing the size and weight of the apparatus.

第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置は、一般的なMALDI−TOFMSにも利用可能であることは当然であるが、通常、こうしたMALDI−TOFMSでは試料上でのレーザ光のビーム集束径をそれほど絞る必要はなく、あまり検出感度が問題となることはない。これに対し、顕微質量分析装置では、高い空間分解能が要求される、つまり試料上でのレーザ光のビーム集束径をできるだけ小さく絞りたいという要求があるため、第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置が特に有益である。   The laser desorption / ionization apparatus according to the second invention is naturally applicable to general MALDI-TOFMS, but usually in such MALDI-TOFMS, the beam focusing diameter of the laser beam on the sample is not much. There is no need to squeeze, and detection sensitivity is not a problem. On the other hand, in the microscopic mass spectrometer, a high spatial resolution is required, that is, there is a demand for reducing the beam focusing diameter of the laser beam on the sample as small as possible. Therefore, the laser desorption ionization apparatus according to the second invention Is particularly beneficial.

即ち、第3発明は、第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置を用いた質量分析装置であって、
試料上でのレーザ光の照射位置を1次元的又は2次元的に走査するための位置走査手段と、
前記レーザ光の照射により試料から発生したイオンを質量に応じて分離して検出する質量分析手段と、
前記試料上の所定範囲について前記位置走査手段により位置走査を行いつつ前記質量分析手段により微小領域の質量分析を繰り返すことにより、前記所定範囲における質量分布状況を調べる分布調査手段と、
を備えることを特徴としている。
That is, the third invention is a mass spectrometer using the laser desorption ionization apparatus according to the second invention,
Position scanning means for scanning the irradiation position of the laser beam on the sample one-dimensionally or two-dimensionally;
A mass analyzing means for separating and detecting ions generated from the sample by irradiation with the laser beam according to the mass;
A distribution investigation means for examining a mass distribution state in the predetermined range by repeating mass analysis of the micro area by the mass analysis means while performing position scanning by the position scanning means for the predetermined range on the sample;
It is characterized by having.

第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置では、例えば3〜20mm程度のビーム径のレーザ光を回折限界(凡そ波長/開口数)近くまで集光しても、試料上での光スポットのエネルギー分布がドーナツ状に維持される。それにより、例えば5μm又はそれ以下の非常に微小な領域の質量分析を十分な検出感度で行うことができ、高い空間分解能の2次元物質分布画像を作成することができる。   In the laser desorption / ionization apparatus according to the second invention, for example, even if a laser beam having a beam diameter of about 3 to 20 mm is condensed to near the diffraction limit (approximately wavelength / numerical aperture), the energy distribution of the light spot on the sample Is maintained in a donut shape. Thereby, for example, mass analysis of a very small region of 5 μm or less can be performed with sufficient detection sensitivity, and a two-dimensional substance distribution image with high spatial resolution can be created.

また第3発明に係る質量分析装置では、試料に照射されるレーザ光の外径を変化させることにより、前記微小領域の面積を変化させる構成とすることが好ましい。この構成によれば、試料上の所定範囲の2次元物質分布画像を低い空間分解能で取得できればよい場合には、試料上でのレーザ光の集光径を大きくして分析点数を減らすことで、短時間で結果を得ることができる。一方、試料上の所定範囲の2次元物質分布画像を高い空間分解能で取得したい場合には、試料上でのレーザ光の集光径を小さくして質量分析を密に行うことで、時間は掛かるものの精緻な2次元物質分布画像を得ることができる。   In the mass spectrometer according to the third aspect of the present invention, it is preferable that the area of the minute region is changed by changing the outer diameter of the laser light applied to the sample. According to this configuration, when it is sufficient that a two-dimensional substance distribution image of a predetermined range on the sample can be acquired with low spatial resolution, by increasing the condensing diameter of the laser beam on the sample and reducing the number of analysis points, Results can be obtained in a short time. On the other hand, when it is desired to acquire a two-dimensional substance distribution image of a predetermined range on the sample with high spatial resolution, it takes time by performing mass analysis densely by reducing the condensing diameter of the laser beam on the sample. A precise two-dimensional material distribution image can be obtained.

第1発明に係るレーザ脱離イオン化方法及び第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置によれば、レーザ光のビーム集束径を小さくして微小領域の質量分析を実行したい場合でも高いイオン生成効率を達成し、それによって十分な検出感度を得ることができる。また、第2発明に係るレーザ脱離イオン化装置を用いた第3発明に係る質量分析装置によれば、試料上の所定範囲の2次元物質分布画像を高い空間分解能で以て得ることができ、例えば従来は得ることが困難であった試料に関する知見を得ることができるようになる。   According to the laser desorption / ionization method according to the first invention and the laser desorption / ionization apparatus according to the second invention, high ion generation efficiency can be achieved even when the beam focusing diameter of the laser beam is reduced to execute mass analysis of a minute region. Achieved, thereby obtaining sufficient detection sensitivity. Further, according to the mass spectrometer according to the third invention using the laser desorption ionization apparatus according to the second invention, a two-dimensional substance distribution image of a predetermined range on the sample can be obtained with high spatial resolution. For example, it becomes possible to obtain knowledge about samples that have been difficult to obtain in the past.

また、従来、ビームの断面形状を変化させるビーム整形としては、マスクを用いたビーム分割、減衰(ND)フィルタを用いた矯正、計算機ホログラムのような回折光学素子(DOE=Diffractive Optical Elements)による波面生成、などいくつかの方法があるが、1つの光学素子を用いた場合には、必要とする光エネルギー分布は光軸上であっても空間的に限定された位置でしか得られない。つまり、光軸上であってもその位置を外れると、光エネルギー分布は所望の形状とはならない。そのために、光軸上の任意の位置で光エネルギー分布を所望の形状にしたい場合には、特性の相違する複数の光学素子を切り換える必要があり、機構的にも大掛かりとなることが避けられない。   Conventionally, beam shaping that changes the cross-sectional shape of the beam includes beam splitting using a mask, correction using an attenuation (ND) filter, wavefront by a diffractive optical element (DOE = Diffractive Optical Elements) such as a computer generated hologram. There are several methods such as generation, but when a single optical element is used, the required light energy distribution can be obtained only at spatially limited positions even on the optical axis. That is, even if it is on the optical axis, if it deviates from the position, the light energy distribution does not have a desired shape. Therefore, when it is desired to make the light energy distribution in a desired shape at an arbitrary position on the optical axis, it is necessary to switch between a plurality of optical elements having different characteristics, which is inevitably large in terms of mechanism. .

これに対し、ラゲール−ガウシアンビームのようなドーナツ状のビームを用いた場合には、中空のエネルギー分布の形状が光軸に沿った広い範囲で保たれることから、ほぼ同等のイオン化条件で任意のサイズのイオン化領域を設定することが可能となる。これにより、顕微質量分析装置を実現する際に、空間分解能を変化させて得られる結果の安定性、再現性が増し、高い性能を実現することができる。   On the other hand, when a donut-shaped beam such as a Laguerre-Gaussian beam is used, the shape of the hollow energy distribution is maintained in a wide range along the optical axis. It is possible to set an ionization region having a size of. Thereby, when realizing a microscopic mass spectrometer, the stability and reproducibility of the results obtained by changing the spatial resolution are increased, and high performance can be realized.

まず、本発明に係るレーザ脱離イオン化方法を実施するためのレーザ脱離イオン化装置の一実施例について図1〜図3により説明する。図1は本実施例のレーザ脱離イオン化装置の概略構成図である。   First, an embodiment of a laser desorption / ionization apparatus for carrying out the laser desorption / ionization method according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser desorption / ionization apparatus according to this embodiment.

レーザ光源(本発明におけるレーザ光源)1は波長355nm(紫外波長域)のNd:YAG/THGレーザであり、シングルモード発振でビームウエストの強度分布はガウシアン分布とみなすことができる。このレーザ光をビームエキスパンダ2により約10mmのビーム径まで拡げる。このビームを焦点距離80mmのレンズ(本発明における集光手段)4で集光すると、試料5の表面上では、最小で回折限界3.5μmのスポットが得られる。このレーザ光の光軸Cに沿ってビームエキスパンダ2の直後に、本発明におけるビーム整形手段としての円周状偏光子(Zポラライザとも呼ばれる)3が挿入され、この円周状偏光子3の光学的干渉作用により、光軸C付近に光エネルギーが存在せず、その周囲にドーナツ状にエネルギーが存在するような断面円環状にビームを整形する。   A laser light source (laser light source in the present invention) 1 is an Nd: YAG / THG laser having a wavelength of 355 nm (ultraviolet wavelength region), and the intensity distribution of the beam waist can be regarded as a Gaussian distribution by single mode oscillation. The laser beam is expanded to a beam diameter of about 10 mm by the beam expander 2. When this beam is condensed by a lens 4 (condensing means in the present invention) 4 having a focal length of 80 mm, a spot having a diffraction limit of 3.5 μm is obtained on the surface of the sample 5 at the minimum. Immediately after the beam expander 2 along the optical axis C of the laser beam, a circumferential polarizer (also called a Z polarizer) 3 as a beam shaping means in the present invention is inserted. Due to the optical interference action, the beam is shaped into an annular cross section in which no optical energy exists in the vicinity of the optical axis C and energy exists in a donut shape around the optical energy.

図2は円周状偏光子3の一例の、光軸Cに直交する面における平面図(a)及びその側面図(b)である。円周状偏光子3は、光軸Cを中心とする円周上に、その1周で偏光主軸(図中の矢印)の角度が180°回転するように、複数枚(この例では4枚)の半波長(λ/2)板3a、3b、3c、3dが並べられ、それらが接着して形成されたものである。半波長板3a〜3dは一般的には方解石のような光学異方性結晶で作られるが、そのほか、フォトニック結晶で人工的に作られたものでもよい。こうした半波長板3a〜3dに略直交する方向に直線偏光を入射させると、偏光主軸の回転角の2倍の角度で偏光の向きが変わる。入射した偏光に対し出射する光の偏光は、ラジアル方向又はアジマス方向に並び、そこから或る距離以上に離れた位置における光軸C上の光エネルギーはゼロ又は縦方向(つまり光軸C方向)の弱い電界のみになり、ドーナツ状のビームが得られる。   FIG. 2 is a plan view (a) and a side view (b) of an example of the circumferential polarizer 3 in a plane orthogonal to the optical axis C. A plurality of circular polarizers 3 (four in this example) are arranged so that the angle of the polarization main axis (arrow in the figure) is rotated 180 ° on the circumference around the optical axis C. ) Half-wave (λ / 2) plates 3a, 3b, 3c, 3d are arranged and bonded together. The half-wave plates 3a to 3d are generally made of an optically anisotropic crystal such as calcite, but may be made artificially of a photonic crystal. When linearly polarized light is incident in a direction substantially orthogonal to the half-wave plates 3a to 3d, the direction of polarized light changes at an angle twice the rotation angle of the polarization main axis. The polarized light of the light emitted with respect to the incident polarized light is aligned in the radial direction or the azimuth direction, and the light energy on the optical axis C at a position more than a certain distance from there is zero or the vertical direction (that is, the optical axis C direction). Only a weak electric field is obtained, and a donut-shaped beam is obtained.

なお、特にラジアル偏光にした場合、開口数(NA)の大きなレンズで以てビーム集束径を絞ると、縦方向(光軸C方向)に電界を有する光スポットが得られる。この性質を利用して、円周状偏光子は、近接場ラマン顕微分光計などに用いられている。   In particular, in the case of radial polarization, a light spot having an electric field in the vertical direction (direction of the optical axis C) can be obtained by narrowing the beam focusing diameter with a lens having a large numerical aperture (NA). Utilizing this property, circumferential polarizers are used in near-field Raman microspectrophotometers and the like.

図3は図2に示した構成の円周状偏光子3によるビーム整形のシミュレーション結果であり、(a)はX軸方向位置、Y軸方向位置、及びエネルギー強度の3次元表示、(b)はX軸方向位置とY軸方向位置を縦軸、横軸にとってエネルギー強度を濃淡で示した平面グラフである。なお、図4は従来の、つまり円周状偏光子を挿入しない場合に得られるガウシアンビームの集光をシミュレーションした計算結果を示す図である。   FIG. 3 is a simulation result of beam shaping by the circumferential polarizer 3 having the configuration shown in FIG. 2, (a) is a three-dimensional display of the X-axis direction position, the Y-axis direction position, and the energy intensity, (b). Is a plane graph showing energy intensity in shades with respect to the X-axis direction position and Y-axis direction position on the vertical axis and on the horizontal axis. FIG. 4 is a diagram showing a calculation result simulating the condensing of a Gaussian beam obtained when a conventional, that is, a circular polarizer is not inserted.

図3で明らかなように、図2の円周状偏光子を用いて、きれいなドーナツ形状のビームが形成されていることが分かる。即ち、エネルギー分布は光軸C及びその近傍でゼロとなり、光軸Cに直交する面内でその中心から所定距離(半径)離れた位置でエネルギーが極大となり、さらに外周に向かうに従いエネルギーが減衰し、所定距離以上離れるとエネルギーはゼロとなる。したがって、試料上で光エネルギーが有限の範囲の中に収まっており、且つ、光エネルギー密度の小さな領域が光軸C近傍に存在する、という点で上述のようなイオン生成効率を高める条件を満たす。しかも、このようなエネルギー分布の形状は、レンズ4により集光されても保たれるため、回折限界近くまで集束径を絞っても、高いイオン生成効率を確保することが可能となる。   As apparent from FIG. 3, it can be seen that a clean donut-shaped beam is formed using the circumferential polarizer of FIG. That is, the energy distribution becomes zero at and near the optical axis C, the energy becomes maximum at a position away from the center by a predetermined distance (radius) in a plane orthogonal to the optical axis C, and the energy is further attenuated toward the outer periphery. The energy becomes zero when the distance is more than a predetermined distance. Therefore, the conditions for increasing the ion generation efficiency as described above are satisfied in that the light energy is within a finite range on the sample and a region having a small light energy density exists in the vicinity of the optical axis C. . Moreover, since the shape of such an energy distribution is maintained even when the light is condensed by the lens 4, high ion generation efficiency can be ensured even if the focusing diameter is reduced to near the diffraction limit.

上記実施例と同様のエネルギー分布を有するレーザ光を得るために、図1の構成において円周状偏光子3に代えてスパイラル位相板6を挿入するようにしてもよい。図5はスパイラル位相板6の一例の、光軸Cに直交する面における平面図(a)及びその側面図(b)である。スパイラル位相板6は、光軸Cを中心とする円周上に、その1周で1波長(λ)分の光路長の変化があるように、表面を切削することで厚さを変化させた屈折板から成る。その厚さの変化は周方向に連続的であるようにしてもよいが、必ずしもその必要はなく、この例では、図5(a)で時計回り方向に光路長がλ/4ずつ順に変化するように厚さが調整された4段の螺旋階段状の屈折板6a、6b、6c、6dを用いている。このように表面形状が螺旋形であることが、スパイラル位相板と呼ばれる理由である。   In order to obtain a laser beam having the same energy distribution as in the above embodiment, a spiral phase plate 6 may be inserted in place of the circumferential polarizer 3 in the configuration of FIG. FIG. 5 is a plan view (a) and a side view (b) of an example of the spiral phase plate 6 on a plane orthogonal to the optical axis C. The thickness of the spiral phase plate 6 was changed by cutting the surface so that there was a change in the optical path length for one wavelength (λ) on the circumference around the optical axis C. It consists of a refracting plate. The change in thickness may be continuous in the circumferential direction, but this is not always necessary. In this example, the optical path length changes in order of λ / 4 in the clockwise direction in FIG. In this way, four-step spiral stair-shaped refracting plates 6a, 6b, 6c, and 6d having thicknesses adjusted as described above are used. The surface shape thus formed is a reason called a spiral phase plate.

なお、屈折板の材質は特殊なものである必要はなく、一般的には光学等方性のガラスが用いられる。但し、必要な表面の段差の大きさはその材質の屈折率nから1を減じた数(n−1)に反比例することから、実現可能な加工精度に応じて適宜の屈折率の材質を選択する必要がある。   The material of the refracting plate does not need to be special, and generally optically isotropic glass is used. However, since the required surface step size is inversely proportional to the number (n-1) obtained by subtracting 1 from the refractive index n of the material, a material with an appropriate refractive index is selected according to the realizable processing accuracy. There is a need to.

スパイラル位相板を通したレーザ光はビームの中央、つまり光軸Cの周りに生じるエネルギーがゼロである中空領域の直径が回折限界以下となるという性質を持つため、従来一般的には、2波長蛍光ディップ(Dip)分光法のためのイレース光などに用いられている。   Since the laser beam that has passed through the spiral phase plate has the property that the diameter of the hollow region where the energy generated around the center of the beam, that is, the optical axis C is zero, is less than the diffraction limit, it has been generally two wavelengths. Used for erase light for fluorescence dip spectroscopy.

図6は図5に示した構成のスパイラル位相板6によるビーム整形のシミュレーション結果であり、(a)はX軸方向位置、Y軸方向位置、及びエネルギー強度の3次元表示、(b)はX軸方向位置とY軸方向位置を縦軸、横軸にとってエネルギー強度を濃淡で示した平面グラフである。このエネルギー分布は、上述した円周状偏光子3とほぼ同じであり、同様の効果を奏するものである。   FIG. 6 is a simulation result of beam shaping by the spiral phase plate 6 having the configuration shown in FIG. 5, where (a) is a three-dimensional display of the X-axis direction position, the Y-axis direction position, and the energy intensity, and (b) is X It is the plane graph which showed the energy intensity with the light / dark on the vertical axis | shaft and the horizontal axis | shaft in the axial direction position and the Y-axis direction position. This energy distribution is almost the same as that of the circumferential polarizer 3 described above, and has the same effect.

また、光軸に直交する面内で断面形状が円環状であるビームを得る方法は、上述の円周状偏光子及びスパイラル位相板の利用のほかにもある。例えばマルチモードレーザと偏光子との組み合わせが考えられる。マルチモードレーザは、シングルモードレーザから生成する場合とレーザ共振器でマルチモード発振を生じさせることで直接的に生成する場合とが考えられる。   In addition to the use of the above-described circumferential polarizer and spiral phase plate, there is a method for obtaining a beam having a circular cross section in a plane perpendicular to the optical axis. For example, a combination of a multimode laser and a polarizer can be considered. The multimode laser can be generated from a single mode laser or directly by generating multimode oscillation in a laser resonator.

上述したレーザ脱離イオン化装置は、通常のMALDI−TOFMSにも利用することができるのはもちろんであるが、生体試料などの質量イメージングを行うための顕微質量分析装置に対し特に有用である。そこで、そうした顕微質量分析装置の一実施例について図7、図8を参照しつつ説明する。図8は本実施例による顕微質量分析装置の全体構成図である。   The laser desorption ionization apparatus described above can be used for ordinary MALDI-TOFMS, but is particularly useful for a microscopic mass spectrometer for performing mass imaging of a biological sample or the like. An embodiment of such a micromass spectrometer will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is an overall configuration diagram of the micro mass spectrometer according to the present embodiment.

略大気圧雰囲気に維持される気密室11内に、ステージ駆動部14により少なくともx軸、y軸の二軸方向に移動自在である試料ステージ12が配置され、試料ステージ12上に試料13が載置される。この試料ステージ12が図中に実線で示す位置にあるときに、レーザ照射部10からパルス状に出射され、レンズ4により収束されたレーザ光が試料13の上面に当たる。このレーザ光の照射を受けて、試料13においてレーザ光照射位置付近から試料由来のイオンが発生する。   A sample stage 12 that is movable in at least two directions of the x-axis and y-axis by a stage drive unit 14 is disposed in an airtight chamber 11 that is maintained in a substantially atmospheric pressure atmosphere, and the sample 13 is placed on the sample stage 12. Placed. When the sample stage 12 is at a position indicated by a solid line in the figure, the laser beam emitted from the laser irradiation unit 10 and converged by the lens 4 strikes the upper surface of the sample 13. Upon receiving this laser light irradiation, ions derived from the sample are generated from the vicinity of the laser light irradiation position in the sample 13.

気密室11内でレーザ光の照射により試料13から発生したイオンは、イオン輸送管15を通して、図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ20内に輸送される。真空チャンバ20内において、イオンはイオンレンズ21により収束されてその後段のイオントラップ22に送り込まれる。イオントラップ22はリング電極と一対のエンドキャップ電極とから成る3次元四重極型の構成であり、それら電極に印加される高周波電圧により形成される電場によりイオンを一時的に蓄積・保持し、所定のタイミングでほぼ一斉にそれらイオンを吐き出して飛行時間型質量分析器(TOF)23に導入する。飛行時間型質量分析器23は反射電極24を備えたリフレクトロン型であり、反射電極24により形成される直流電場によりイオンを折返し飛行させる。ほぼ一斉に導入された各種イオンはその質量に応じて異なる飛行時間で以て飛行してイオン検出器25に到達し、イオン検出器25は入射したイオンの量に応じた検出信号を出力する。   Ions generated from the sample 13 by laser light irradiation in the hermetic chamber 11 are transported through the ion transport tube 15 into the vacuum chamber 20 evacuated by a vacuum pump (not shown). In the vacuum chamber 20, the ions are converged by the ion lens 21 and sent to the ion trap 22 at the subsequent stage. The ion trap 22 has a three-dimensional quadrupole configuration composed of a ring electrode and a pair of end cap electrodes, and temporarily accumulates and holds ions by an electric field formed by a high-frequency voltage applied to these electrodes. These ions are discharged almost simultaneously at a predetermined timing and introduced into a time-of-flight mass analyzer (TOF) 23. The time-of-flight mass analyzer 23 is a reflectron type equipped with a reflective electrode 24, and ions are turned back by a DC electric field formed by the reflective electrode 24. Various ions introduced almost simultaneously fly in different flight times according to their mass and reach the ion detector 25, and the ion detector 25 outputs a detection signal corresponding to the amount of incident ions.

なお、イオントラップ22において、各種イオンの中で特定の質量を有するイオンをプリカーサイオンとして選別した上でCID(衝突誘起解離)により開裂を生じさせ、それによって生成されたプロダクトイオンを飛行時間型質量分析器23に導入して質量分析する、つまりMS/MS分析又はそれ以上の多段階の開裂を伴う質量分析を実施してもよい。   In the ion trap 22, ions having a specific mass among various ions are selected as precursor ions, then cleaved by CID (collision-induced dissociation), and the product ions generated thereby are converted into time-of-flight masses. It may be introduced into the analyzer 23 for mass analysis, that is, MS / MS analysis or mass analysis with multi-stage cleavage may be performed.

気密室11内で試料ステージ12はガイド16に沿って図中に点線で示す位置(観察位置)12Bに移動可能となっており、観察位置12Bの上方で気密室11の外側にはCCDカメラ17が配置され、観察位置12Bの下方には透過照明部18が設置されている。試料ステージ12が観察位置12Bに来るように移動された状態では、透過照明部18から出射した光が試料ステージ12に形成されている開口を通して試料13の下面に当たり、その透過光による試料像をレンズ19を通してCCDカメラ17で撮影できるようになっている。CCDカメラ17で撮影された顕微画像は制御部32を介して表示部34の画面上に表示可能である。もちろん、このような透過観察のほかに反射観察や蛍光観察のための照明系を別途設けてもよい。また、CCDカメラ17で撮像する代わりに、光学顕微鏡を設け、オペレータが直接的に顕微観察画像を観察できるようにしてもよい。   Within the hermetic chamber 11, the sample stage 12 can be moved along the guide 16 to a position (observation position) 12B indicated by a dotted line in the drawing, and a CCD camera 17 is positioned outside the hermetic chamber 11 above the observation position 12B. Is disposed, and a transmission illumination unit 18 is installed below the observation position 12B. In a state where the sample stage 12 is moved so as to come to the observation position 12B, the light emitted from the transmission illumination unit 18 hits the lower surface of the sample 13 through the opening formed in the sample stage 12, and the sample image by the transmitted light is converted into a lens. 19 can be photographed by the CCD camera 17. A microscopic image captured by the CCD camera 17 can be displayed on the screen of the display unit 34 via the control unit 32. Of course, in addition to such transmission observation, an illumination system for reflection observation and fluorescence observation may be provided separately. Further, instead of taking an image with the CCD camera 17, an optical microscope may be provided so that the operator can directly observe the microscopic observation image.

質量分析によりイオン検出器25で得られた検出信号は、A/D変換器30によりデジタル値に変換されてデータ処理部31に入力され、データ処理部31で質量と信号強度との関係を表す質量スペクトルデータが求められる。さらにデータ処理部31は、質量スペクトルデータを用いた各種のデータ処理を実行し、例えば所定の分子の分布を表す2次元物質分布画像を作成する。制御部32は試料に対する質量分析動作を実行するためにステージ駆動部14を始めとする各部を制御するとともに、顕微観察画像や分析結果(例えば上記2次元物質分布画像)などを表示部34に表示する。また、操作部33はキーボードやポインティングデバイスなどであり、分析のための各種のパラメータの入力設定や各種の指示に利用される。   A detection signal obtained by the ion detector 25 by mass analysis is converted into a digital value by the A / D converter 30 and input to the data processing unit 31, and the data processing unit 31 represents the relationship between the mass and the signal intensity. Mass spectral data is determined. Further, the data processing unit 31 executes various types of data processing using the mass spectrum data, and creates, for example, a two-dimensional substance distribution image representing the distribution of predetermined molecules. The control unit 32 controls each unit including the stage driving unit 14 in order to execute a mass analysis operation on the sample, and displays a microscopic observation image, an analysis result (for example, the above two-dimensional substance distribution image), and the like on the display unit 34. To do. The operation unit 33 is a keyboard, a pointing device, or the like, and is used for input setting of various parameters for analysis and various instructions.

制御部32やデータ処理部31は例えば汎用のパーソナルコンピュータにより構成することができ、該コンピュータにインストールされた専用の制御/処理ソフトウエアを実行することにより、各種の制御やデータ処理の機能を達成することができる。   The control unit 32 and the data processing unit 31 can be constituted by a general-purpose personal computer, for example, and various control and data processing functions are achieved by executing dedicated control / processing software installed in the computer. can do.

上記質量分析装置を用いた目的物質の2次元物質分布画像の取得のための基本的な動作は次の通りである。
まずオペレータは試料13上のどの個所を分析するのかを決める。そのために、試料ステージ12を12Bの位置に移動させ、その状態でCCDカメラ17が試料13の顕微観察画像を取得し、表示部34の画面上に表示させる。オペレータはその中で質量分析を行う範囲を決めて操作部33により範囲の設定を行い、例えば目的物質の質量を1乃至複数設定した上で分析開始を指示する。
The basic operation for obtaining a two-dimensional substance distribution image of a target substance using the mass spectrometer is as follows.
First, the operator determines which part of the sample 13 is to be analyzed. For this purpose, the sample stage 12 is moved to the position 12B, and in this state, the CCD camera 17 acquires a microscopic observation image of the sample 13 and displays it on the screen of the display unit 34. The operator determines the range in which mass analysis is performed, sets the range by the operation unit 33, and instructs the start of analysis after setting one or more masses of the target substance, for example.

分析が開始されると、レーザ照射部10から出射した、上述したドーナツ状のビームであるレーザ光がレンズ4で集光され試料13上に照射される。レンズ4はレンズ駆動部40により試料13に近づく又は遠ざかるように移動可能となっている。図7に示すように、レンズ駆動部40によりレンズ4の位置が変化すると、試料13上でのビームの集束径が変化する。これにより、一回のレーザ照射でレーザ光が照射される面積が変わり、質量分析の空間分解能も変化する。したがって、分析実行前に例えばオペレータにより空間分解能が指定されると、それに応じたビーム集光径となるようにレンズ4の位置は自動的に設定される。   When the analysis is started, the laser light that is the above-described donut-shaped beam emitted from the laser irradiation unit 10 is condensed by the lens 4 and irradiated onto the sample 13. The lens 4 is movable by the lens driving unit 40 so as to approach or move away from the sample 13. As shown in FIG. 7, when the position of the lens 4 is changed by the lens driving unit 40, the beam converging diameter on the sample 13 changes. Thereby, the area irradiated with the laser beam is changed by one laser irradiation, and the spatial resolution of the mass spectrometry is also changed. Therefore, when the spatial resolution is designated by an operator before the analysis is executed, the position of the lens 4 is automatically set so as to obtain a beam condensing diameter corresponding to the spatial resolution.

レーザ光が照射されると、試料13上でその照射範囲付近に存在する各種物質がイオン化されて、主として試料13表面に略直交する方向つまり真上にイオンが放出される。イオン輸送管15の両端の差圧により気密室11内の空気はイオン輸送管15に吸い込まれるため、主としてこの空気流によってイオンはイオン輸送管15に吸い込まれ、真空チャンバ20内へ輸送される。そして、例えば試料13上の同一位置への複数回のレーザ光照射によってそれぞれ生成されたイオンが一旦イオントラップ22に収集され、その後、一斉に飛行時間型質量分析器(TOF)23に導入されて質量分析される。   When the laser beam is irradiated, various substances existing in the vicinity of the irradiation range on the sample 13 are ionized, and ions are mainly emitted in a direction substantially orthogonal to the surface of the sample 13, that is, directly above. Since the air in the hermetic chamber 11 is sucked into the ion transport pipe 15 due to the differential pressure across the ion transport pipe 15, the ions are mainly sucked into the ion transport pipe 15 by this air flow and transported into the vacuum chamber 20. Then, for example, ions generated by a plurality of times of laser light irradiation on the same position on the sample 13 are once collected in the ion trap 22 and then introduced into the time-of-flight mass analyzer (TOF) 23 all at once. Mass analyzed.

制御部32は試料13上に設定された分析範囲の中で、レーザ光の照射位置が順次移動するようにステージ駆動部14を制御し、試料ステージ12をステップ状に移動させる。このときの移動のステップ幅は、空間分解能に対応して決まる。つまり、空間分解能に応じて、試料13上でのレーザ光のビーム集光径と試料13のx−y面内での移動のステップ幅とが決まる。そして、試料ステージ12が微小距離移動して停止する毎に、上述したようにレーザ光を試料13に照射して質量分析が実行される。設定された分析範囲の全体に亘って質量分析が実行された後に、例えば特定の質量についての2次元的な分布を示す2次元物質分布画像が作成される。   The control unit 32 controls the stage driving unit 14 so that the irradiation position of the laser beam sequentially moves within the analysis range set on the sample 13, and moves the sample stage 12 in a step shape. The movement step width at this time is determined in accordance with the spatial resolution. That is, the beam condensing diameter of the laser beam on the sample 13 and the step width of the movement of the sample 13 in the xy plane are determined according to the spatial resolution. Then, each time the sample stage 12 is moved by a minute distance and stopped, the sample 13 is irradiated with the laser beam as described above, and mass spectrometry is executed. After mass analysis is performed over the entire set analysis range, for example, a two-dimensional material distribution image showing a two-dimensional distribution of a specific mass is created.

設定された空間分解能が大きい、つまり粗いときには、試料13上でのレーザ光のビーム集束径を相対的に大きくし、試料移動のステップ幅も大きくする。そのため、同じ面積の分析範囲であれば分析点数は少なくなり、分析に要する時間は短くて済む。逆に、空間分解能が小さい場合には、試料13上でのレーザ光のビーム集束径を相対的に小さくし、試料移動のステップ幅も小さくする。そのため、同じ面積の分析範囲であれば分析点数は多くなり、分析点数は多くて分析に時間を要するが、得られる2次元物質分布画像は精緻になる。このように試料13上でのレーザ光のビーム集束径を変化させるようにレンズ4の位置を変化させた場合でも、試料13上の光スポットのエネルギー分布はドーナツ状となる。したがって、空間分解能に拘わらず、ほぼ同等の条件で、且つ高いイオン生成効率でイオン化を行うことができ、高い検出感度で正確な2次元物質分布画像を作成することができる。   When the set spatial resolution is large, that is, coarse, the beam focusing diameter of the laser beam on the sample 13 is relatively increased, and the step width of the sample movement is also increased. Therefore, if the analysis area has the same area, the number of analysis points is reduced and the time required for the analysis can be shortened. On the contrary, when the spatial resolution is small, the beam focusing diameter of the laser beam on the sample 13 is relatively small, and the step width of the sample movement is also small. Therefore, if the analysis range has the same area, the number of analysis points increases, and the number of analysis points is large and requires time for analysis. However, the obtained two-dimensional substance distribution image becomes precise. Thus, even when the position of the lens 4 is changed so as to change the beam focusing diameter of the laser light on the sample 13, the energy distribution of the light spot on the sample 13 becomes a donut shape. Therefore, regardless of the spatial resolution, ionization can be performed under substantially the same conditions and with high ion generation efficiency, and an accurate two-dimensional substance distribution image can be created with high detection sensitivity.

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。例えば、上記実施例では、試料にレーザ光を照射して試料成分をイオン化する場合について説明したが、この場合の試料とは、マトリックスと目的サンプルとが混合したものでもよい。或る程度の広い面積を有する試料をMALDIでイオン化する際には、試料上にマトリックスを塗布したり吹き付けたりする等、種々の方法で試料を調製することが可能である。   The above-described embodiment is an example of the present invention, and it is a matter of course that changes, modifications, and additions within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application. For example, in the above embodiment, the case where the sample component is ionized by irradiating the sample with laser light has been described. However, the sample in this case may be a mixture of the matrix and the target sample. When a sample having a certain large area is ionized by MALDI, the sample can be prepared by various methods such as coating or spraying a matrix on the sample.

本発明の一実施例であるレーザ脱離イオン化装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a laser desorption / ionization apparatus according to an embodiment of the present invention. 円周状偏光子の一例の、光軸に直交する面における平面図(a)及びその側面図(b)。The top view (a) in the surface orthogonal to an optical axis of an example of a circumferential polarizer, and its side view (b). 図2に示した構成の円周状偏光子によるビーム整形のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the beam shaping by the circumferential polarizer of the structure shown in FIG. 従来(ガウシアンビーム)の集光のシシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the condensing of the former (Gaussian beam). スパイラル位相板の一例の、光軸に直交する面における平面図(a)及びその側面図(b)。The top view in the surface orthogonal to an optical axis of an example of a spiral phase plate, and its side view (b). 図5に示した構成のスパイラル位相板によるビーム整形のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the beam shaping by the spiral phase plate of the structure shown in FIG. 図8の顕微質量分析装置におけるレンズ位置の変化と試料上でのビーム集束径との関係の説明図。FIG. 9 is an explanatory diagram of a relationship between a change in lens position and a beam focusing diameter on a sample in the micro mass spectrometer of FIG. 本実施例による顕微質量分析装置の全体構成図。The whole block diagram of the micro mass spectrometer by a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…レーザ光源
2…ビームエキスパンダ
3…円周状偏光子
3a、3b、3c、3d…半波長板
4…レンズ
5、13…試料
6…スパイラル位相板
C…光軸
10…レーザ照射部
11…気密室
12…試料ステージ
14…ステージ駆動部
15…イオン輸送管
20…真空チャンバ
21…イオンレンズ
22…イオントラップ
23…飛行時間型質量分析器
24…反射電極
25…イオン検出器
30…A/D変換器
31…データ処理部
32…制御部
40…レンズ駆動部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser light source 2 ... Beam expander 3 ... Circumferential polarizer 3a, 3b, 3c, 3d ... Half-wave plate 4 ... Lens 5, 13 ... Sample 6 ... Spiral phase plate C ... Optical axis 10 ... Laser irradiation part 11 Airtight chamber 12 Sample stage 14 Stage drive unit 15 Ion transport tube 20 Vacuum chamber 21 Ion lens 22 Ion trap 23 Time-of-flight mass analyzer 24 Reflecting electrode 25 Ion detector 30 A / D converter 31... Data processing unit 32... Control unit 40.

Claims (7)

試料にレーザ光を照射することにより該試料に含まれる成分をイオン化するレーザ脱離イオン化方法であって、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状であるレーザ光を集光して試料に照射することを特徴とするレーザ脱離イオン化方法。   A laser desorption / ionization method that ionizes components contained in a sample by irradiating the sample with a laser beam, the laser beam having a circular beam cross-sectional shape perpendicular to the optical axis being focused and irradiated on the sample And a laser desorption ionization method. 試料にレーザ光を照射することにより該試料に含まれる成分をイオン化するレーザ脱離イオン化装置であって、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状であるレーザ光を放出するレーザ照射手段と、そのレーザ光を集光して試料に照射する集光手段と、を備えることを特徴とするレーザ脱離イオン化装置。   A laser desorption / ionization apparatus that ionizes components contained in the sample by irradiating the sample with laser light, the laser irradiation unit emitting laser light having a circular beam cross-sectional shape perpendicular to the optical axis; A laser desorption / ionization apparatus comprising: a condensing unit that condenses the laser light and irradiates the sample. 請求項2に記載のレーザ脱離イオン化装置であって、前記レーザ照射手段は、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光を、光軸に垂直なビーム断面形状が円環状になるように整形するビーム整形手段と、を含むことを特徴とするレーザ脱離イオン化装置。   3. The laser desorption / ionization apparatus according to claim 2, wherein the laser irradiation means includes a laser light source and a laser beam emitted from the laser light source so that a beam cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is annular. And a beam shaping means for shaping into a laser desorption ionization apparatus. 請求項3に記載のレーザ脱離イオン化装置であって、前記ビーム整形手段は、光軸を中心とする円周方向に偏光主軸が順次回転するように複数の半波長板が設けられた偏光光学素子であることを特徴とするレーザ脱離イオン化装置。   4. The laser desorption / ionization apparatus according to claim 3, wherein the beam shaping means is provided with a plurality of half-wave plates so that a polarization main axis is sequentially rotated in a circumferential direction around the optical axis. A laser desorption / ionization apparatus characterized by being an element. 請求項3に記載のレーザ脱離イオン化装置であって、前記ビーム整形手段は、光軸を中心とする円周方向に厚さが連続的又は段階的に変化する屈折板から成る偏光光学素子であることを特徴とするレーザ脱離イオン化装置。   4. The laser desorption / ionization apparatus according to claim 3, wherein the beam shaping means is a polarizing optical element comprising a refracting plate whose thickness changes continuously or stepwise in a circumferential direction centering on the optical axis. There is provided a laser desorption ionization apparatus. 請求項2〜5のいずれかに記載のレーザ脱離イオン化装置を用いた質量分析装置であって、
試料上でのレーザ光の照射位置を1次元的又は2次元的に走査するための位置走査手段と、
前記レーザ光の照射により試料から発生したイオンを質量に応じて分離して検出する質量分析手段と、
前記試料上の所定範囲について前記位置走査手段により位置走査を行いつつ前記質量分析手段により微小領域の質量分析を繰り返すことにより、前記所定範囲における質量分布状況を調べる分布調査手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
A mass spectrometer using the laser desorption / ionization apparatus according to any one of claims 2 to 5,
Position scanning means for scanning the irradiation position of the laser beam on the sample one-dimensionally or two-dimensionally;
A mass analyzing means for separating and detecting ions generated from the sample by irradiation with the laser beam according to the mass;
A distribution investigation means for examining a mass distribution state in the predetermined range by repeating mass analysis of the micro area by the mass analysis means while performing position scanning by the position scanning means for the predetermined range on the sample;
A mass spectrometer comprising:
請求項6に記載の質量分析装置であって、試料に照射されるレーザ光の外径を変化させることにより、前記微小領域の面積を変化させることを特徴とする質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 6, wherein the area of the minute region is changed by changing an outer diameter of laser light applied to the sample.
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