JP2015031585A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体表面に存在する微量成分の、プローブを用いた大気圧質量分析法において、質量分析の感度を向上させること。【解決手段】試料を保持する基板と、前記試料を溶解するための液体を供給する液供給手段と、前記液体を前記試料に導くための流路を備え、前記試料が溶解した前記液体が付着したまま振動可能に設置されているプローブと、引出電極と、前記引出電極に前記プローブとは異なる電位を付与する電圧印加手段と、前記液体を間欠的に前記試料に供給するための液間欠化手段を備えることを特徴とする、イオン化装置。【選択図】図１

Description

本発明は、物質の質量分析装置およびこれを用いた質量分析方法に関する。また、本発明は前記質量分析法の高感度化に関する。

成分分析法の一つである質量分析法は、試料中の成分をイオン化し、その質量電荷比（質量数／電荷数）を計測する技術である。

近年、固体試料表面に存在している成分の分布を画像化する技術が開発されている。例えば、特定の成分の分布を質量画像として可視化することで、試料の状況を判断することができる。このような技術の一例として、ガン組織を有する病理検体の質量画像を元に、病理診断の根拠となるデータを示す方法が開発されている。質量画像は、通常、試料表面の複数の測定点で試料をイオン化し、発生したイオン化の質量電荷比をそれぞれの測定点ごとに求め、試料表面の位置とイオンの情報を対応づけることにより取得する。そのため、得られる質量画像の空間分解能を向上するために、試料表面の微小領域をイオン化する技術が求められている。

また、生体組織などの生物由来の材料の質量分析においては、イオン化する際に分子が非選択的に切断されて断片化した場合、成分の特定が困難になるため、生体成分を壊すことなくイオン化するソフトイオン化も求められている。

これらの要求を満たすため、非特許文献１では固体試料表面の微小領域に液体を付与して当該微小領域に存在する成分を溶解し、溶解した成分を大気圧環境下でイオン化する方法、及び、該イオン化法を用いた質量分析方法が提案されている。この方法では、固体試料中の成分を溶解するための液体を、試料の表面にプローブを用いて供給する。前記プローブはプローブの軸と交差する方向に、固体試料表面と質量分析装置のイオン取り込み口との間を振動しており、最もプローブが固体試料側に接近した際に、プローブと固体表面の間に液架橋が生成し、固体試料表面の物質が液架橋に溶解する。また、前記プローブと質量分析装置のイオン取り込み口の間には高電界がかかっている。そのため、プローブが質量分析装置のイオン取り込み口側に接近した時に、試料が溶解した溶液によるテイラーコーンが形成され、一種のエレクトロスプレーが発生し、前記溶液に溶解した成分のイオン化が起こる。

Y. Otsuka, et al., Rapid Commun. Mass Spectrom. 2012, vol. 26(23), pp 2725-2732.

非特許文献１に記載の方法において、固体試料中の成分を溶解するための液体は、常にプローブから供給され続けている。そのため、プローブ先端に存在する溶液の固体試料中の成分濃度は、プローブが固体試料から離れた時点が最も高い。一方、プローブが固体試料表面から離れた時点から、イオン化が起きるまでに、溶液中の固体試料中の成分の濃度は徐々に低下する。

一般にエレクトロスプレーを用いた質量分析では、サンプル濃度が質量分析の感度に与える影響は大きい。非特許文献１に記載の方法において、極微少量のサンプルをより高感度で質量分析を行うためには、溶液の濃度の低下を抑制することが望ましい。

本発明のイオン化装置は、試料を保持する基板と、前記試料を溶解するための液体を供給する液供給手段と、前記液体を前記試料に導くための流路を備え、前記試料が溶解した前記液体が付着したまま振動可能に設置されているプローブと、引出電極と、前記引出電極に前記プローブとは異なる電位を付与する電圧印加手段と、前記液体を間欠的に前記試料に供給するための液間欠化手段を備えることを特徴とする、イオン化装置である。

本発明によれば、より高感度な質量分析が可能になる。

本発明の装置構成図。 （ａ）圧電素子方式またはバブルジェット（登録商標）方式の液間欠化手段を用いたときの、基板とプローブの間の液架橋ができる直前のプローブの先端。（ｂ）その拡大図。 （ａ）パルスバルブ方式の液間欠化手段を用いたときの、基板とプローブの間の液架橋ができる直前のプローブの先端。（ｂ）その拡大図。 本発明によるイオン化過程とプローブ振動の１サイクル。 従来法によるイオン化過程とプローブ振動の１サイクル。

以下、本発明について図面を示して説明する。本発明を実施するための装置の一例を図１に示す。試料１７は、基板１３上に置かれる。更に、基板１３は試料ステージ制御手段１１３に接続されている。プローブ１１は流路を有し（不図示）、流路を介して試料面に液体を供給する。流路はプローブ１１の内部に設けられてもよいし、プローブ１１の外部を液体が伝うように流路を設けてもよい。基板１３上に固定された試料１７に含まれる被分析物を溶解する液体は、液供給手段１１１からプローブ１１へ供給される。プローブ１１の先端が基板１３に接触或いは近接した時に、液体は基板１３とプローブ１１との間で液架橋１５を形成する。液架橋とは、表面張力等により、液体がプローブと試料とを架橋する状態のことである。液架橋１５が形成されると、液体内に試料表面の物質が溶解される。プローブ１１先端の液量が不足している場合や、液体がプローブ１１の基板１３の反対側に付着している場合は、液架橋１５を形成しない。

プローブ１１は振動提供手段１２によって、プローブ１１の軸と交差する方向（図１内の矢印の方向）に、試料１７の表面と質量分析装置のイオン取り込み口１１０との間を振動する。このとき、プローブ１１は、前記液架橋１５を形成して前記試料表面の物質を溶解した前記液体を付着したまま振動可能なように構成されている。プローブ１１の振動の周波数や振幅は、任意の値に設定することが可能であり、一定値に保持しても良いし、変調をかけても良い。ただし、振幅の大きさは、液架橋１５の形成とイオン化の発生が両立するように設定され、プローブ１１の種類や電界の大きさを変更した場合には適宜設定を変更することが望ましい。プローブ１１を対向する複数の振動提供手段１２で挟むことで、プローブ１１に安定して振動を与えることもできる。例えば、振動提供手段１２として圧電素子や振動モーターを用いることができる。振動提供手段１２はプローブ１１に振動を伝達できる位置であれば、いずれの位置に設置することもできる。プローブ１１の振動の振れ幅は数十ナノメートルから数百μメートル程度、周波数は１０Ｈｚ以上１ＭＨｚ程度であってもよい。プローブ１１の振動周波数や振幅は振動提供手段１２によって任意に制御できるようにしてもよいし、プローブ１１の自発的な振動をそのまま利用してもよい。

液供給手段１１１から供給された液体には、イオン化に必要な所定の電圧が印加される。例えば、プローブ１１に設けられた流路や接続用配管を導電性の素材で作製して、この導電性の流路を介して電圧印加手段１１２から液体に電圧を印加してもよい。液体には直流電圧、交流電圧、パルス電圧又はゼロボルトのいずれかが印加される。

前記導電性の流路や接続用配管を形成する素材は、少なくとも一部分が導電性であればよい。導電性を有する材料としては、金属・半導体などが挙げられるが、電圧印加手段１１２から電圧が印加された場合に、再現性のある一定の電圧値を示す性質を有するものであればいかなるものでもよい。

本発明では、後述のイオン引出電極の電位とは異なる電位を、前記導電性の部位を介して前記液体に付与する。そのためには、例えば導電性部位と後述のイオン引出電極の間で、電界が形成されればよく、この電界が達成される限りにおいて、ここで印加される電圧がゼロボルトであってもよい。

プローブ１１、導電性の流路及び液供給手段１１１を接続する接続用配管としては、例えば、シリカキャピラリやメタルキャピラリ等の細管などの、微小体積の液体を供給する細管を利用することでき、その電気伝導性は絶縁体・導電体・半導体のいずれであってもよい。

プローブ１１そのものが導電体の場合、導電性の流路に印加された電圧がプローブ１１に伝播し、プローブ１１内部の流路の液体に電圧が印加される。また、液供給手段１１１から供給された液体が液供給手段１１１とは反対側のプローブ１１の先端まで導かれるまでの流路の一部分を導電性としてもよい。或いは、ステンレス線、タングステン線、白金線などの導電性物体をシリカキャピラリからなるプローブ内の流路に挿入して液体に電圧を付与してもよい。

プローブと対向する位置には引出電極が配置されており、更に引出電極は電圧印加手段１１５に接続されている。イオン引出電極には電圧印加手段１１５により所定の電圧が印加される。振動によってプローブの端部が引出電極に接近すると、プローブ先端の電界強度が著しく増大する。このとき、プローブの先端部から帯電した微小液滴１６が帯電液滴として脱離する。即ちエレクトロスプレーが発生する。このときプローブ先端にはテイラーコーン１４が形成されることがあり、この場合、微小液滴１６はテイラーコーン１４の突端から脱離する。本発明におけるテイラーコーン１４とは、２つの電極により作られた強電界内において、一方の電極に付着した液滴がもう一方の電極方向に引きつけられ、先端を前記電極方向へ向けた円錐形に変形した状態のことを指す。帯電した微小液滴１６は、液相のイオン、或いは気相のイオンを含有する。

引出電極は帯電した微小液滴を引き込む流路（イオン取り込み口１１０を含む）を構成する構造体で、例えば円筒形である。引出電極には不図示のポンプが接続されており、イオンは外部環境、すなわち気体と共に引出電極に引き寄せられる。イオンは液滴の状態あるいは気相の状態のどちらで引出電極を通過してもよい。質量分析手段１１４にはＴＯＦ法（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法）を利用した飛行時間型の質量分析手段などを用いることができる。このとき、質量分析手段１１４が有する真空の飛行空間に気相の状態のイオンを飛行させることで、イオンの質量が分析される。

本発明においては、液供給手段１１１から供給された液体の試料面上への供給は液間欠化手段１８により間欠化される。本発明において、間欠的とは、イオン化過程の１サイクルにおいて、プローブ１１から液体が吐出される時間とプローブ１１から液体が吐出されない時間との両方が存在することをいう。また、間欠化とは、間欠的に液体を供給するようにプローブ１１からの液体の吐出を停止および／または開始することをいう。例えば、液間欠化手段１８は、テイラーコーン１４が発生した後、液架橋１５ができるまでの間は液体を吐出させる。次に、液架橋１５ができた後、次のテイラーコーン１４ができるまでの間は液体の吐出を停止させる。液間欠化手段１８とプローブ振動手段１２を前記のように同期して作動させることで、液架橋１５により溶解された後の液体内の試料濃度の希釈を抑え、高感度な質量分析が可能になる。

本発明において液間欠化手段１８は、液体を好ましくは数μ／分〜数十ｎＬ／分程度の流速で間欠化することができる。液間欠化手段１８は、液供給手段１１１からプローブ１１の吐出口までの間のいずれかに設置される。また、液間欠化手段１８はプローブ１１の振動と同等の周期で液体を間欠化させてもよい。このとき、液間欠化手段１８には、たとえば圧電素子方式、バブルジェット（登録商標）方式、パルスバルブ方式などを用いることができる。液供給手段１１１に液体の間欠化機能を内蔵させることもできる。

本発明における圧電素子方式とは、流路内に電圧をかけることにより体積が変化するデバイス（圧電素子）を備え、前記デバイスを駆動することにより、吐出口から液体を吐出する方式を指す。本発明におけるバブルジェット（登録商標）方式とは、液体の流路内に備えたヒーターを加熱することにより流路内の液体を気化させ、流路内に発生した泡が流路内の液体を押し出すことにより、吐出口から液体を吐出する方式を指す。また、本発明におけるパルスバルブ方式とは、液供給手段１１１により流路内の液体を加圧した後、流路内に設置した電磁式等のパルスバルブを高速で開閉することにより、吐出口から液体を吐出する方式を指す。

液架橋１５がプローブ１１と基板１３との間に形成された後、プローブ１１が質量分析装置のイオン取り込み口１００方向へ移動するため、前記液架橋１５は消滅する。液間欠化手段１８は、前記液架橋１５消滅時からエレクトロスプレーが発生するまでの間のいずれかのタイミングで吐出口からの溶液の吐出を停止することができる。また、液間欠化手段１８は、エレクトロスプレーが発生してから前記液架橋１５が形成される場所までプローブ１１が降下する間であれば、いずれのタイミングでも吐出口からの液体の吐出を開始することができる。なお、液供給手段１１１に液体の間欠化機能を内蔵させるような場合や、流路の途中などに液間欠化手段１８を設ける場合は、液体がプローブ１１の先端まで移動する時間を考慮して、駆動のタイミングを設定すればよい。本発明においてプローブ１１から吐出された液体を用いて、プローブ１１と基板１３の間に液架橋１５を形成させるため、プローブ１１先端に吐出された液体を保持する必要がある。そのため、液体が飛翔しない程度の圧力で液体を吐出する。

図２（ａ）に圧電素子方式、或いはバブルジェット（登録商標）方式の液間欠化手段２２と振動供給装置２５を使用したときの基板２４とプローブ２１の液架橋発生直前の、プローブ２１の全体図を示す。また図２（ｂ）に図２（ａ）のプローブ２１先端の様子を示す。これらの方式を用いた液間欠化手段２２は小型軽量であるため、プローブ１１先端から液供給手段１１１の間のいずれの場所にも設置することができる。前記液間欠化手段２２をプローブ２１先端もしくはプローブ２１先端近傍へ設置することで、吐出溶液量や吐出タイミングを正確に制御することができる。また、吐出口をプローブ２１の基板２４側へ設置することで、プローブ２１先端に保持されている液２３が基板と接触しやすくなり、前記以外の場所へ吐出口を設置するよりもより確実に液架橋を発生させることができる。

図３（ａ）にパルスバルブ方式の液間欠化手段３４と振動供給装置３５を使用したときの基板３３とプローブ３１の液架橋発生直前の、プローブ３１先端の様子を示す。パルスバルブ方式の液間欠化手段は、通常、プローブと比べると大型であるためプローブの近傍に設置することが困難である。そのためパルスバルブ方式の溶液間欠化手段を使用する場合、プローブ振動手段よりも液供給手段１１０側に設置する必要がある。図３（ｂ）に前記方式を用いたときの基板３３とプローブ３１の液架橋発生直前の、プローブ３１の先端の様子を示す。前記方式の液間欠化手段を用いたときは、プローブ径と同等以上の液滴径をもつ液滴３２をプローブ３１先端に保持すると、基板３３とプローブ３１間に架橋を確実に形成することができる。

図４に本発明を用いたプローブ４１振動及びイオン化過程の１サイクルを示す（（１）〜（６））。テイラーコーン４３が発生してから、次のテイラーコーン４３が発生するまでを１サイクルとする。前記テイラーコーン４３はプローブ４２と質量分析装置のイオン取り込み口４１間の電界により発生するため、電界の強さを調整することで、テイラーコーン４３発生のタイミングを制御することができる。本発明においては、プローブ４２の全振幅のうちプローブ４２の端部がイオン取り込み口４１側に最接近した時に、テイラーコーン４３からイオン化が起こるように、前記の電界の強さを調整する。前記の制御により、テイラーコーン４３からごく短時間でイオン化が起こり、高質量分解能な分析ができる。プローブ４２とイオン取り込み口４１に印加している電圧を調整する、或いは、プローブの一端とイオン取り込み口との距離を調整することにより、前記の電界の強さを適度に調整する。

プローブ４２と質量分析装置のイオン取り込み口４１の間には強電界がかかっており、テイラーコーン４３中の液体はほぼすべて微小液滴となり、その一部が質量分析装置のイオン取り込み口４１へ取り込まれる。そのため、（１）では、プローブが試料表面から最も離れ、テイラーコーン４３が形成される。この直後の（２）のプローブ４２先端には、ほとんど液体が残留しない。その後、（３）のプローブ４２が降下する間に、液体を吐出し、プローブ４２の先端部に液滴４５を形成する。（４）において、プローブ４２が基板に最も近接することで液滴４５の一部が基板４４に移動し、プローブ４２と基板４４の間に液架橋４６が発生する。液体の吐出は、（４）の工程までに完了させる。（４）で基板４４上の成分が液中に溶出する。その後、（５）で液架橋が消滅すると液体の吐出を停止し、そのまま（６）でプローブ４２を上昇させる。（１）で再びイオン化が起こる。ここで（５）〜（１）までの間には液体が吐出されないため、プローブ先端の溶液に含まれる基板４４中の成分の濃度は一定に保たれる。

一方、図５に従来法を用いたプローブ５１振動及びイオン化過程の１サイクルを示す（（１）’〜（６）’）。従来法では液体が一定のスピードで溶出し続けるため、（４）’で液架橋５６により試料が溶解した後、（５）’〜（６）’のプローブの振動中も液体が溶出し続ける。そのためプローブ５１先端に保持された溶液５５中の基板５４上の成分の濃度が希釈される。従来法においてはプローブ５２下降中（（２）’〜（３）’）とプローブ５２上昇中（（５）’〜（６）’）に吐出される液量はほぼ等しい。そのため、テイラーコーン５３が発生する直前である（６）’の時点で（４）’の時点と比較して溶液中の基板５４上の成分の濃度が１／２程度まで希釈される。一方、本発明を用いた方法では、プローブ４２上昇中（（５）〜（６））に液体の吐出による基板４４上の成分の希釈は起きない。そのため、本発明を従来法と比較すると、テイラーコーン中の溶液中の基板上の成分濃度が少なくとも２倍となり、従来法よりも高感度な質量分析が可能になる。

本発明によれば、大気圧下での物質のイオン化が可能であるため、試料への損傷を少なくして目的物質のイオン化を達成することができる。また、たとえば質量電荷比が１０〜１００００、５０〜２０００、５０〜１０００といった極微小量の物質をイオン化して、より高感度な質量分析をすることが可能になる。

１１ プローブ
１２ 振動提供手段
１３ 基板
１４ テイラーコーン
１５ 液架橋
１６ 帯電した微小液滴
１７ 試料
１８ 液間欠化手段
１９ 試料ステージ
２１ プローブ
２２ 溶液間欠化手段
２３ プローブ先端に保持された液滴
２４ 基板
２５ 振動提供手段
２６ 液供給手段
３１ プローブ
３２ プローブ先端に保持された液滴
３３ 基板
３４ 液間欠化手段
３５ 振動提供手段
４１ イオン取込部
４２ プローブ
４３ テイラーコーン
４４ 基板
４５ プローブ先端に保持された液滴
４６ 液架橋
５１ イオン取込部
５２ プローブ
５３ テイラーコーン
５４ 基板
５５ プローブ先端に保持された液滴
５６ 液架橋
１１０ イオン取込部
１１１ 液供給手段
１１２ 電圧印加手段
１１３ 試料ステージ制御手段
１１４ 質量分析装置
１１５ 電圧印加手段

Claims (10)

1. 試料を保持する基板と、
   前記試料を溶解するための液体を供給する液供給手段と、
   前記液体を前記試料に導くための流路を備え、前記試料が溶解した前記液体が付着したまま振動可能に設置されているプローブと、
   引出電極と、
   前記引出電極に前記プローブとは異なる電位を付与する電圧印加手段と、
   前記液体を間欠的に前記試料に供給するための液間欠化手段を備えることを特徴とする、
   イオン化装置。
2. 前記液間欠化手段は、前記液体に前記試料が溶解した後に前記液体の吐出を停止する、請求項１に記載のイオン化装置。
3. 前記液間欠化手段は、前記液体の吐出の停止と前記プローブの振動を同期させる、請求項１または２に記載のイオン化装置。
4. 前記液間欠化手段は、プローブの端部が前記基板に最も接近した時点とプローブの端部が前記基板から最も離れた時点との間のある時点で、前記液体の吐出を停止する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のイオン化装置。
5. 前記液体は、前記プローブと前記基板とが最も近接した状態で、前記プローブと前記基板との間に液架橋を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のイオン化装置。
6. 前記液間欠化手段は、前記液架橋が消滅した後に前記液体の吐出を停止する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイオン化装置。
7. 前記プローブの一端はプローブの軸と交差する方向に振動することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のイオン化装置。
8. 前記液体の一部は前記プローブの端部から帯電液滴として脱離する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のイオン化装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のイオン化装置と、質量分析手段とを有する、質量分析装置。
10. 前記質量分析手段は飛行時間型の質量分析手段である、請求項９に記載の質量分析装置。

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