JP2015052464A - イオン化装置、イオン化方法、質量分析装置および画像化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 溶媒の流量の調整や走査速度をより高度に制御することが必要であるという課題があった。【解決手段】 試料を保持する保持台と、前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、前記試料がイオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、前記試料と前記プローブとの間に液架橋を形成するように、液体を供給する液供給手段と、前記プローブの前記液架橋に接している部分と前記イオン引出電極との間で電界を発生させる電界発生手段と、を有するイオン化装置であって、少なくとも前記プローブが前記保持台に対して近接および離間を繰り返し、且つ前記液架橋を形成する周波数と、該周波数よりも高い前記プローブが振動する周波数と、の少なくとも二つの異なる振動の周波数を有して振動させる振動手段を有する、ことを特徴とするイオン化装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、固体試料のイオン化装置及び方法に関する。

固体試料の表面の成分分析のために固体を大気圧環境下でイオン化させる技術がある。

非特許文献１では、固体試料表面の微小領域に微量体積の溶媒を提供し、試料の成分を溶媒に溶解させた後で、エレクトロスプレーイオン化法により成分をイオン化する方法が提案されている。発生したイオンを質量分析装置に導入し、イオンの質量電荷比を計測し、成分の分析を行うことができる。固体試料表面の微小領域に溶媒を付与するために、プローブが用いられている。プローブには連続的に溶媒が導入され、プローブが固体試料表面と近接した状態で、両者の間に液架橋が形成され、液架橋に固体試料表面の成分が溶解する。成分が溶解した溶液は印可された電圧によってイオン化される。プローブが固体試料表面と近接し続けている状態でイオン化を行う方法をＣｏｎｔａｃｔ−ｍｏｄｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ （Ｃｏｎｔａｃｔ−ｍｏｄｅ ＳＰＥＳＩ）、プローブが振動し、固体試料表面に断続的に溶媒が付与される状態でイオン化を行う方法をＴａｐｐｉｎｇ−ｍｏｄｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ （Ｔａｐｐｉｎｇ−ｍｏｄｅ ＳＰＥＳＩ）と呼んでいる。

Ｙｏｉｃｈｉ Ｏｔｓｕｋａ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｍｂｉｅｎｔ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ"Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２６，２７２５（２０１２）．

非特許文献１に開示されているＴａｐｐｉｎｇ−ｍｏｄｅ ＳＰＥＳＩ法では、液架橋への固体試料表面の成分の溶解とイオン化が交互に連続的に実施され、その回数はプローブの振動周波数によって決められる。この方法では、一回目に液架橋に溶解した成分が、二回目に形成された液架橋の中に残留（キャリーオーバー）し、１回目の液架橋に溶解した成分を定量的に計測することができなくなる場合があった。すなわち、溶媒の流量の調整や走査速度をより高度に制御することが必要であるという課題があった。

上記課題を解決するために本発明に係るイオン化装置は、
試料を保持する保持台と、前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、前記試料がイオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、前記試料と前記プローブとの間に液架橋を形成するように、液体を供給する液体供給手段と、前記プローブの前記液架橋に接している部分と前記イオン引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有するイオン化装置であって、少なくとも前記プローブが前記保持台に対して近接および離間を繰り返す振動手段を有しており、該振動手段は、前記液架橋を形成する周波数と、該周波数よりも高い前記プローブが振動する周波数と、の少なくとも二つの異なる振動の周波数を有して振動させる手段であることを特徴とする。

本発明によれば、大気圧環境下で試料表面の微小領域の成分分布を好適にイオン化できるイオン分析装置を提供することができる。

第一の実施の形態に係るイオン化装置を有する画像化システムを示す模式図である。 第一の実施の形態に係るイオン化装置の第一および第二の駆動モード、各装置の動作タイミングを示すチャート図である。 第一の実施の形態に係るイオン化装置の第三の駆動モード、各装置の動作タイミングを示すチャート図である。 第一の実施の形態に係るイオン化装置の第一から第三の駆動モードにおける、各装置の動作タイミングを示すチャート図である。

以下に、本発明を実施の形態を用いて詳細に説明する。

（第一の実施の形態）
図１は本発明の第一の実施の形態に係るイオン化装置を有する画像化システムを示す模式図である。１は液体が通過する流路を内部に有するプローブ、２はプローブ１を振動させるプローブ振動手段、３は固体試料、４はプローブ１と固体試料３との間に形成された液架橋、５はテイラーコーン、６は帯電した微小液滴、７は質量分析部にイオンを取り込むためのイオン引出電極を有するイオン取込部、８は固体試料３を保持する保持台としてのＸＹステージ、９は保持台振動手段となる固体試料３を図１の上下方向（Ｚ方向）に移動させるためのＺステージ、１０および１１はステージに振動用の信号を送信するための信号送信手段となる試料ステージ制御部、１２は電圧印加手段、１３はプローブ１に液体を供給する液体供給手段である液体供給部、１４は電圧印加手段、１５および１９は光源、１６および２０は変位センサ、１７は質量分析部、１８は電圧印加手段、２１は画像情報の作成部、２２は変位演算部、２３は表示部である。

本発明においては、液体供給部１３から供給された液体は固体試料３とプローブ１との間で液架橋４を形成する。ここで、固体試料３は金属・絶縁体・半導体のいずれかの基板上に計測対象物が担持された物体であり、計測対象物は生体組織、体液などの微小領域の成分分布を計測する必要のある物体である。さらに、液架橋４に寄与した液体の一部が、プローブ１の振動と、プローブ１の液架橋に接している部分とイオン引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１４及び電圧印加手段１８による電界と、によって帯電した微小液滴６になってプローブから離れる。プローブから離れた微小液滴６は、溶液成分が蒸発し、測定対象の成分をイオンとしてイオン取込部７に取り込むことが可能となる。すなわち、本形態においては、プローブが基板上への液体の供給手段であり、物質の取得手段であり、イオン化のための好適な位置への液体の移送手段であり、イオン化のためのテイラーコーンの形成手段となっている。

液体供給部１３は、固体試料３に含まれる被分析物を溶解するための溶媒又は被分析物と被分析物を溶解している溶媒との混合溶液（以下、これらの溶媒と混同溶液とをあわせて単に液体と記す）を供給する。液体供給部１３から供給された液体は、プローブ１内部の流路へと導かれ、その際に、電圧印加手段１４から液体に電圧が印加される。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。

なお、本実施形態において、プローブとは、プローブ１の内部の流路や接続用配管に導電性の流路の全部又は一部分が包摂されている場合は、これらの総称を意味する。また、プローブ１の内部の流路や接続用配管に導電性の流路が包摂されていない場合にも、本実施形態におけるプローブは、広義には、これらの総称を意味する。すなわち、プローブを形成する素材の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には、金属・半導体などが挙げられるが、電圧印加手段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。つまり、本実施形態において、プローブの導電性部位に電圧を印加することで、液体に電圧を印加している。

本実施形態でプローブに電圧を印加するとは、後述のイオン引出電極の電位とは異なる電位を、プローブの少なくとも一部分を形成する導電性部位に付与し、プローブの少なくとも一部分を形成する導電性部位と後述のイオン引出電極の間で、電界を形成することを意味する。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１の少なくとも一部分の材料は導電性の物質であれば良く、例えばステンレス・金・白金などを用いることができる。

プローブ１、及び液体供給部１３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。なお、導電性の流路は、液体供給部１３から供給された液体がプローブ１内部を通り、液体供給部１３とは反対側のプローブ１の先端まで導かれる流路の一部分を構成すればよく、その位置は特に限定されない。例えば、プローブ１の内部の流路や接続用配管に導電性の流路の全部又は一部分が包摂されていても良い。

プローブ１そのものが導電体の場合、電圧印可装置１４で印加された電圧がプローブ１に伝播し、プローブ１内部の流路の液体に電圧が印加される。一方、プローブ１が絶縁体の場合、導電性の流路に印加された電圧はプローブ１に伝播することができないが、導電性の流路を流れる液体に電圧が印加され、その液体がプローブ１に導入されるため、プローブ１に電圧が伝播されていない場合にも、液体に電圧を印加し、液体を帯電させることになる。

液体供給部１３から供給された液体は、プローブ１の先端から固体試料３上へと提供される。これにより、大気圧環境下で固体試料３に含まれる微小な量の物質をイオン化することが可能となる。

本実施形態では、上記構成において、さらにプローブ１が振動する形態としている。なお、本発明でプローブ１が振動するとは、プローブ１の基板３側の先端の位置が空間的に変位するようにプローブ１が運動することをいう。特に、プローブの軸方向と交差する方向にプローブを屈曲振動させることが好ましい。振動提供手段２からの機械的な振動を与えることでプローブ１を振動させることが好ましい。

一般に、片持ち梁型の物体の１次モードの固有振動周波数は、梁の長さ、密度、断面積、ヤング率、断面二次モーメントにより表現できることが知られている。本実施形態におけるプローブも片持梁型のプローブに類似しているため、プローブの材質、サイズ、プローブに供給する液体の種類と体積、およびプローブとイオン取込部との間の電界の大きさを調整することで、プローブの固有振動周波数を制御することができる。材質としては、シリカ、シリコン、ポリマー材料、金属材料を使用することができる。さらに、異なる密度またはヤング率の異なる複数の材料で構成したプローブを利用しても良い。振動供給手段２は振動を発生させる手段であればよく、例えばピエゾ素子・振動モータなどを用いる事ができる。プローブ１の振動は、連続的振動・断続的振動のいずれであってもよい。液体への電圧を印加するタイミング及び、プローブ１に振動を供給するタイミングは、任意に決定することができる。

図１では、液体供給部１３がプローブ１と物理的に接続されているが、これらは空間的に離間していてもよい。例えばインクジェット法により、プローブ１から空間的に離れた液体供給部１３からプローブ１に溶媒を吐出して飛翔させ、プローブ１に付着することもできる。さらに、液体供給部１３からの溶媒は、プローブの表面に設けられた流路を用いてもよい。例えばプローブ表面に微小な溝を形成し、毛細管現象を利用して、液体供給部１３から導入された溶媒が、プローブ１の表面を伝い、プローブ１の先端部分まで流れるようにしてもよい。

プローブ１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。例えば、振動提供手段２に電気的に接続した電圧印加手段１２から出力される電圧値または電流値を変更することにより、振動の周波数や振幅を任意に調整することができる。

次に、Ｚステージ９は固体試料３を担持し、固体試料３を固体試料表面に対して垂直方向に振動させるために用いられる。Ｚステージ９に接続された試料ステージ制御部１１からの制御信号に基づいて、振動することができる。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。この場合、電圧印加手段１１から出力される電圧値または電流値を変更することにより、振動の周波数や振幅を任意に調整することができる。

光源１５および変位センサ１６はプローブ１の振動を計測するために変位計側手段として用いられる。光源１５からの集光されたスポット光がプローブ１で反射し、変位センサ１６へと導かれるように設定されている。反射されたスポット光の位置を変位センサで読み取ることで、プローブ１の振動周波数および振幅を計測することができる。ここで光源１５の一例として、レーザ光源、ハロゲン光源、ＬＥＤ光源などが挙げられる。また光源の後に、光を集光させるためのレンズやピンホール、または光をライン状に集光させるためのシリンドリカルレンズやスリットを設けてもよい。

光源１５および変位センサ１６と同様に、光源１９および変位センサ２０はＸＹステージ８およびＺステージ９の振動を計測するための変位計測手段として用いられる。ここでプローブ１、ＸＹステージ８、およびＺステージ９の振動を計測するために、光源と変位センサを用いる例が示されているが、これに限ったものではなく、他の変位センサを用いてもよい。他の変位センサの一例として静電容量式、渦電流式、レーザドップラ式、圧電素子式のセンサを用いることができる。静電容量式の場合にはプローブ１、ＸＹステージ８、およびＺステージ９の一部に電気伝導性を有する部位を設け、この部位とセンサの間の静電容量の変化から振動を計測できる。渦電流式の場合には、センサ内のコイルから発生した交流磁界により、プローブ１、ＸＹステージ８、およびＺステージ９の一部の金属内に発生した渦電流を、コイルのインダクタンスの変化から計測する。インダクタンスの変化はセンサと金属の距離に依存するため、振動を計測できる。レーザドップラ式の場合には、プローブ１、ＸＹステージ８、およびＺステージにレーザ光を照射した際の反射光の周波数を検出することで振動を計測できる。圧電素子式の場合には、プローブ１、ＸＹステージ８、およびＺステージに接触した圧電素子へかかる圧力を電圧信号として検出することで、振動を計測できる。

変位センサ１６および変位センサ２０から出力された電気信号は、変位演算部２２へ入力される。各々の電気信号からプローブおよびステージの振動の周波数、振幅、位相が計測される。

本実施形態においては、プロ―ブを振動させる振動手段と、試料を振動させる振動手段をそれぞれ独立して有しているので、それらの駆動モードとして、以下の３種類の駆動モードを有することができる。

すなわち、（Ａ）プローブを振動させるモード、（Ｂ）固体試料を振動させるモード、（Ｃ）プローブと固体試料の両方をそれぞれ独立して振動させるモード、の各駆動モードのいずれかを実施することができる。

図１で示されているのは（Ａ）および（Ｃ）の駆動モードを示しており、（Ｂ）の駆動モードの場合には電圧印可装置１２から振動提供手段２への信号が停止し、プローブは固体試料に近接もしくは接触した状態になっている。

（Ａ）のプローブ単体が振動するモードの場合には、振動提供手段２への信号が入力され、試料ステージ制御部への信号が停止する。その結果、プローブ１が振動し、Ｚステージ９の振動が停止した状態となっている。

（Ｂ）の固体試料を振動させるモードの場合には、振動提供手段２への信号が停止され、試料ステージ制御部への信号が入力される。その結果、プローブ１が停止し、Ｚステージ９が振動する。プローブ１が固体試料３の表面と接触している場合には、Ｚステージ９の振動がプローブ１に伝わることで、プローブ１を振動させることもできるが、この場合も、この駆動モード（Ｂ）に含める。

（Ｃ）プローブと固体試料の両方が独立して振動するモードの場合には、振動提供手段２への信号と、試料ステージ制御部への信号の両方が入力される。その結果、プローブ１とＺステージ９の両方が独立して振動する。

（Ａ）および（Ｂ）のモードが実施される場合、プローブ１またはＺステージの振動の振幅が変調される。図２は（Ａ）および（Ｂ）のモードにおける振幅変調の例を示す。

（Ａ）を実施する場合にはプローブ１の、（Ｂ）を実施する場合にはＺステージへの入力信号の時間変化に対応する。入力信号とプローブ１およびＺステージの振幅の間は対応関係があり、入力信号を計測することでプローブ１およびＺステージの振動を推定することができる。

図２（ａ）および（ｂ）は異なる入力信号パターンを示し、図（ａ）はサイン波と方形波を合成した波形、（ｂ）はサイン波と三角波を合成した合成信号の波形である。この場合、基本振動信号としてサイン波を、変調用の振動信号として方形波および三角波を用いて合成信号を作成している。合成信号の作成には、乗算を使用し、二種類の信号を乗算した値を合成信号としているが、これ以外にも加算・除算・除算および、複数の組み合わせを用いることもできる。基本振動信号の周波数はプローブ１またはＺステージの共振周波数と等しく、変調用の振動信号の周波数は、液架橋を形成される周波数と等しくなるように設定される。基本振動信号、変調用の振動信号には、三角波、サイン波、方形波、のこぎり波のうち２種類を使用することが望ましい。

また、いずれかの振動信号の周波数がもう一つの振動信号の周波数の２以上の整数倍であり、それぞれの振動の位相差が０または１８０度になる形態が望ましい。

すなわち、この形態は、振動手段が、プローブを振動させるプローブ振動手段であり、プローブの振動の振幅を変調させることで液架橋を形成する周波数をプローブの振動の周波数の整数分の１とする構成が含まれている。

振幅の絶対値が大きくなる時間１、時間３において、プローブ１と固体試料３の距離が最も近接するように設定されており、この時間の前後の期間で両者の間に液架橋が形成され、イオン化が発生する。一方で振幅が小さい時間２および時間４の期間は、プローブ１と固体試料３の間で液架橋が形成されず、固体試料の成分はイオン化されない。このように、振動振幅の変調周波数を調整することにより、液架橋の形成回数を制御することができるようになる。時間１、時間３において液架橋が形成され、プローブ先端に付着した液体には、固体試料３の表面の成分が溶解される。この成分は時間２、時間４の期間にイオン化がなされる。この間もプローブへの溶媒の流入は継続しているため、プローブ先端に付着した液体は、溶媒により希釈され、固体試料３の表面の成分が時間の経過とともにイオン化し、液体から消失する。さらに、プローブ先端が新しく流入した溶媒により洗浄される効果も生じる。このように、振動振幅を変調することにより、液架橋が形成される時間と、液架橋が形成されない期間を任意の値に制御することができ、非特許文献１のＴａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ ＳＰＥＳＩと比較して、キャリーオーバーを防ぐことができるようになる。

次に、（Ｃ）が実施される場合、振動用信号が、プローブ振動手段に送信するプローブ振動用の信号と、保持台振動手段に送信する保持台振動用の信号と、を有しており、プローブ１およびＺステージ９が各々特定の周波数で振動する。このとき、プローブ１の振動周波数が保持台の振動手段であるＺステージの振動周波数の２以上の整数倍であり、それぞれの振動の位相差が０または１８０度になることが望ましい。図３はプローブ１およびＺステージ９へ入力される振動用信号の例を示す。

ここでプローブ１の振動周波数がＺステージ９の振動周波数の５倍となるように、試料ステージ制御部１１、電圧印加手段１２へ入力された信号の例が示されており、前者ではプローブ１が５回振動する間に１回Ｚステージがプローブ側へ最近接する。図３（ａ）がプローブ１への入力信号、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）がＺステージへの入力信号の一例を示す。（ａ）における縦軸はプローブのＺ方向の位置と相関しており、図示するようにプローブ１が固体試料３と近接する状態１とイオン取込部に近接する状態２の間で振動することを示している。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の縦軸は固体試料３の表面のＺ方向の位置と相関しており、図示するようにプローブ１が固体試料３と近接し、液架橋が形成する状態３と、プローブ１から離れて、液架橋が消失する状態４の間で振動することを示している。

プローブ１と固体試料３の距離が最も近接する時間１の前後の期間で、両者の間に液架橋が形成され、イオン化が発生する。一方で、それ以外の時間には液架橋が形成されず、固体試料の成分はイオン化されない。このように、プローブ１とＺステージの振動周波数を各々調整することにより、液架橋が形成される時間と、液架橋が形成されない期間を任意の値に制御することができ、キャリーオーバーを防ぐことができるようになる。この実施形態は、先に述べた駆動モード（Ａ）および（Ｂ）と同様の効果を得ることができるが、プローブ１とＺステージの両方が振動することにより、プローブ１とＺステージの間の距離の絶対値を大きくするという効果も得られる。この実施形態は、固体試料３の表面形状の凹凸が大きく、液架橋の形成とイオン化を安定して実施するために、プローブ１の振動振幅が大きくする場合に適用する事が望ましい。また試料ステージ制御部１１、電圧印加手段１２への制御信号が三角波、サイン波、方形波の場合を示したが、これに限るものではなく、例えば、のこぎり波、図２に示したような三角波、サイン波、方形波、のこぎり波の合成により形成された波形を用いることもできる。

（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）の各駆動モードにおいて、振動の状態は変位演算部２２を用いることにより計測し、所望の振動状態になるように、変位演算部２２から試料ステージ制御部１１、電圧印加手段１２へ制御信号を出力する。この時に、変位演算部２２にはフィードバック回路を設けることで安定な振動状態を自動的に維持できるように調整することができる。また、図１の電気配線、部品の電気容量等により、プローブ１、Ｚステージの振動のタイミングに微小時間のずれが生じることがある。この場合には、フィードバック回路にタイミングを制御するために遅延回路を設け、制御信号と実際のプローブ１およびＺステージの振動のタイミングのずれを補償することができる。

本実施形態においては（ｉ）プローブから基板上に液体を供給し、該プローブと該基板との間に該物質を含む液体による液架橋を形成する工程と、（ｉｉ）前記液体が接する前記プローブの導電性部位とイオン引出電極の間でイオンを発生させるための電界を形成する工程とが、（Ａ）、（Ｂ）または（Ｃ）の駆動モードを利用することにより、交互に変更して達成されている。すなわち、振動によるプローブの一端の位置を異ならせることで、（ｉ）工程と（ｉｉ）工程をそれぞれ実施する好適な配置関係に設定することができる。また、液架橋の形成のタイミングについて、（Ａ）ではプローブの共振周波数よりも低い周波数で液架橋が形成され、（Ｂ）ではＺステージの共振周波数よりも低い周波数で液架橋が形成され、（Ｃ）ではプローブおよびＺステージの共振周波数よりも低い周波数で液架橋が形成される。

プローブ１から連続的または断続的に液体が供給されることで、液架橋４が形成される。液架橋４が形成される際に、プローブ１は基板３に接してもよいし、接しなくてもよい。プローブ１が基板３に接する場合には、液架橋４をより安定して形成することができる。液架橋４はプローブ１と固体試料３とを架橋する状態の液体のことである。これは表面張力等を利用している。液架橋４には固体試料３が有する物質が溶解する。液架橋４は大気圧環境下で形成される。液架橋４の体積は微量で１×１０^−１２ｍ^３程度である。液架橋４は、固体試料３の表面の一部領域に配置され、この液架橋４の、固体試料３の表面における面積は１×１０^−８ｍ^２程度の面積である。

振動によりプローブ１が基板３から離れた状態において、液架橋４を形成していた液体は、電圧印加手段１８と電気的に接続されたイオン引出電極を有するイオン取込部７に近づく。この際に、液体は、電圧が印加された液体自身の電位と電圧印加手段１８により電圧が印加されるイオン引出電極による電位との間の電位差（好ましくは０．１ｋＶ以上１０ｋＶ以下、より好ましくは３ｋＶ以上５ｋＶ以下）により、プローブ１のイオン取込部７側の側面に移動し、テイラーコーン５を形成する。ここで側面とは、エレクトロスプレーが発生する箇所を意味している。図１にはプローブの長軸方向を形成する連続面にテイラーコーン５が形成されているが、この位置はイオン取り込み部７と液体の間の電界、およびプローブ１の液体との濡れ性等により影響を受けるため、これ以外の面を含む位置にテイラーコーン５が形成されても良い。

テイラーコーン５の先端部分では電界が大きくなり、混合溶液からエレクトロスプレーが発生し、微小な帯電液滴６が発生する。電界の大きさを適当に設定することで、帯電液滴がレイリー分裂を生じ、特定の成分のイオンを発生させることができる。帯電液滴やイオンは気流の流れと電界に従ってイオン取込部７へと導かれる。このとき、テイラーコーンを形成する溶液の周囲の電界が大きくなるように、プローブの振動はイオン取込部７に近接する方向への運動を含むことが好ましい。ここで、レイリー分裂とは帯電液滴６がレイリー極限に達し、帯電液滴中の過剰な電荷が、二次液滴として放出される現象のことをいう。液体がテイラーコーンを形成し、テイラーコーンの先端部分から帯電液滴が含まれるエレクトロスプレーが発生し、レイリー分裂が生じている間に、帯電液滴に含まれる成分が気相イオンとして発生することが知られている。また、エレクトロスプレーが発生するしきい電圧ＶｃはＶｃ＝０．８６３（γｄ／ε０） ０．５（γ：液体の表面張力、ｄ：液体とイオン引出電極間の距離、ｒｃ：プローブの流路の開口部の半径、ε ０：真空の誘電率）であることが知られている。（Ｊ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．Ｖｏｌ．５８、１３９−１５４、２０１０）

イオン取込部７は室温から数百度の間の特定の温度に加熱され、さらに電圧が印加されている。このとき、イオンが発生するように適切な電界が生じるように、電圧印加手段１８から液体に印加される電圧と電圧印加手段１８によりイオン引出電極に印加される電圧とを調整する必要がある。電圧印加手段１２からの電圧としては、直流電圧、交流電圧、パルス電圧若しくはゼロボルトのいずれか又はそれらの任意の組み合わせを用いることができる。なお、イオンを発生させるための電界は、プローブ１の導電性部位に印加した電位と、イオン取込部７の電位と、液体とイオン取込部７との距離により規定される。そのため、イオン化したい物質や溶媒の種類に従って、適切な電界が生じるように、これらを設定する必要がある。

その後、イオンはイオン取込部７と接続されている質量分析部１７へ差動排気系を通じて導入され、そこでイオンの質量電荷比が計測される。質量分析部１７としては、四重極型質量分析計、飛行時間型質量分析計、磁場偏向型質量分析計、イオントラップ型質量分析計、イオンサイクロトロン型質量分析計など任意のものを利用することができる。また、イオンの質量電荷比（質量数／電荷数）とイオンの発生量の相関を計測することで、質量スペクトルを得ることもできる。

本実施形態では、プローブまたはＺステージのいずれかが一定の振幅と周波数で振動し、単位時間当たりの振動回数と液架橋の形成回数が等しくなる場合と比較して、キャリーオーバーを抑制することができる。

また、基板上に試料を固定してイオン化する場合、試料ステージ制御部１０によりＸＹステージ８の位置を変化させることにより、試料のうちイオン化される位置の座標を制御することができる。さらにイオン化した位置の座標を位置情報として取得し、各位置で得られた質量スペクトルを質量情報として、これらを対応付けることで、質量スペクトルの二次元分布を得ることができる。この方法で得られるデータは、イオン化された位置の座標（Ｘ座標およびＹ座標）及び質量スペクトルにより構成される３次元データとなる。異なる位置でイオン化及び質量スペクトルの取得を行った後に、任意の質量電荷比のイオン量を選択し、その分布を表示することで、成分ごとの質量イメージを得ることができ、試料表面の特定の成分の分布を捉えることもできる。試料の移動方法は、プローブ１により形成される液架橋４が、測定したい任意の平面内を走査するように設定すればよい。

図４に、（Ａ）および（Ｂ）、または（Ｃ）の駆動モードを実施する場合の、プローブ１、ＺステージおよびＸＹステージの駆動のタイミングを示す。（Ａ）または（Ｂ）の駆動モードを実施する場合の、プローブ１またはＺステージへの入力信号パターンを（ａ）に、ＸＹステージへの入力信号パターンを（ｂ）に示す。図２と同様に、時間１の前後において液架橋が形成される。続いて液架橋が消失し、イオン化が生じる。その後、時間２のタイミングにおいてＸＹステージへの信号が入力され、固体試料３表面の分析位置が移動する。

次に（Ｃ）の駆動モードを実施する場合の、プローブ１への入力信号パターンを（ｃ）に、Ｚステージへの入力信号パターンを（ｄ）に、ＸＹステージへの入力信号パターンを（ｅ）に示す。図３と同様に、時間１の前後において液架橋が形成される。続いて液架橋が消失し、イオン化が生じる。その後、時間２のタイミングにおいてＸＹステージへの信号が入力され、固体試料３表面の分析位置が移動する。このように、時間１から時間２の間に、液架橋に溶解した成分がイオン化されるように、時間２を調整すれば、時間２の後に形成される液架橋において、キャリーオーバーを抑制することができる。

変位演算部２２は、固体試料３の表面におけるイオン化すべき部分を特定し、言い換えれば、質量分析部が分析すべき部分を特定し、その部分にある物質が液架橋４を介してテイラーコーン５に含まれるようにＸＹステージ８およびＺステージ９によって固体試料３１を移動させることができる。変位演算部２２は、例えばコンピューターである。変位演算部２２は少なくとも変位センサからの信号が入力されており、電圧印加手段１２、試料ステージ制御部１０、１１への信号が出力される。

本実施形態に係る質量分析部に接続する画像情報の作成部２１は、変位演算部２２からの固体試料３の分析位置（固体試料３のうちの分析される部分）の情報と、前述した本実施形態に係る質量分析部から得られる質量の情報（質量スペクトルの信号強度の情報）と、から固体試料３に含まれる物質の分布を画像表示するための画像情報を形成する。

本実施形態に係る画像化システムは、前述した本実施形態に係る質量分析装置を質量分析部として備え、さらに画像情報の作成部と、画像表示部と、を有する。

画像情報の作成部２１の出力部から出力された画像情報は、画像情報の作成部２１と接続するフラットパネルディスプレイなどの画像表示部２３に入力され、画像が表示される。画像情報は、二次元画像でも三次元画像でも良い。

このように、固体試料３の特定の位置の質量分析結果に基づき、固体試料３の特定の位置から溶解し液架橋４に含まれる物質を知ることができる。この特定の位置を固体試料３の表面の面内で変え、各々の位置で質量分析を行うことで得られる質量スペクトルのデータと、特定の位置の情報を組み合わせることで、固体試料３の物質の分布（多くの場合、試固体試料３の表面における物質の分布）がマッピングされ、画像として表示される（重畳表示される）。

表示される物質は位置だけでなくその量も表示され、量の違いは色あるいは明るさで表示される。また、固体試料３中に分析される物質が複数存在する場合は、物質の各々を異なる色で表示し、各物質の量の違いを明るさで表示した画像とすることもできる。また、試料２の予め取得した顕微鏡画像と、取得した試料２の質量に関する画像とを重ね合わせて表示することもできる。

１ プローブ
２ 振動提供手段
３ 固体試料
４ 液架橋
５ テイラーコーン
６ 帯電した液滴
７ イオン取込部
８ ＸＹステージ
９ Ｚステージ
１０ 試料ステージ制御部
１１ 試料ステージ制御部
１２ 電圧印加手段
１３ 液体供給部
１４ 電圧印加手段
１５ 光源
１６ 変位センサ
１７ 質量分析部
１８ 電圧印加手段
１９ 光源
２０ 変位センサ
２１ 画像情報の作成部
２２ 変位演算部
２３ 表示部

Claims (11)

1. 試料を保持する保持台と、
   前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、
   前記試料がイオン化したイオンを引き出すイオン引出電極と、
   前記試料と前記プローブとの間に液架橋を形成するように、液体を供給する液体供給手段と、
   前記プローブの前記液架橋に接している部分と前記イオン引出電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有するイオン化装置であって、
   少なくとも前記プローブが前記保持台に対して近接および離間を繰り返す振動手段を有しており、
   該振動手段は、前記液架橋を形成する周波数と、該周波数よりも高い前記プローブが振動する周波数と、の少なくとも二つの異なる振動の周波数を有して振動させる手段である
   ことを特徴とするイオン化装置。
2. 前記振動手段が、前記プローブを振動させるプローブ振動手段と、前記保持台を振動させる保持台振動手段と、を有しており、
   前記プローブの振動の周波数が、前記保持台の振動の周波数の２以上の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のイオン化装置。
3. 前記振動手段が、前記プローブを振動させるプローブ振動手段であり、前記プローブの振動の振幅を変調させることで前記液架橋を形成する周波数を前記プローブの振動の周波数の整数分の１とする請求項１に記載のイオン化装置。
4. 前記振動手段に振動用信号を送信する信号送信手段を有する請求項１に記載のイオン化装置。
5. 前記振動用信号が、前記プローブ振動手段に送信する基本振動信号と変調用の振動信号との合成信号からなる請求項４に記載のイオン化装置。
6. 前記振動用信号が、前記プローブ振動手段に送信するプローブ振動用の信号と、前記保持台振動手段に送信する保持台振動用の信号と、を有する請求項５に記載のイオン化装置。
7. 前記振動手段による振動の振幅または振動周波数を計測するための変位計測手段を有する請求項１から６に記載のイオン化装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のイオン化装置と、前記イオンの質量電荷比を分析する質量分析部と、を有する質量分析装置。
9. 前記試料と前記プローブとが近接する位置を走査する走査手段を有する請求項８に記載の質量分析装置。
10. 請求項８または９に記載の質量分析装置と、
    前記質量分析装置によって得られた質量スペクトルの信号強度の情報と前記試料における位置情報とから試料に含まれる物質の成分の分布を画像情報として作成する画像情報の作成部と、
    を有する画像化システム。
11. 保持台に保持された試料表面にプローブを近接させイオン化する部分を決める工程と、
    前記試料と前記プローブとの間に液架橋を形成するように、液体を供給する工程と、
    前記プローブの前記液架橋に接している部分とイオン引出電極との間に電圧を印加することで、イオンを質量分析手段に導く工程と、を有するイオン化方法であって、
    該イオン化方法は、
    前記プローブと前記保持台とが近接および離間を繰り返す振動を生ぜしめるものであり、
    該振動は、前記液架橋を形成する周波数と、該周波数よりも高い前記プローブが振動する周波数と、の少なくとも二つの異なる振動の周波数を有して振動させるものである
    ことを特徴とするイオン化方法。

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