JP2015122280A - 帯電除去機構およびその機構を用いた飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空雰囲気中の絶縁体部材の帯電を、真空度を悪化させることなく、簡単な構成で確実に除去することのできる帯電除去機構およびその帯電除去機構を備えた飛行時間型質量分析装置を提供する。【解決手段】真空雰囲気中に配置された絶縁体部材３の表面に接触して摺動自在に接地された導電体部材６と、その導電体部材６を絶縁体部材３の真空雰囲気中への露呈表面全域に渡って摺動させる移動機構とその制御手段を備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、真空雰囲気中の絶縁体部材の帯電を除去する機構と、その機構を用いた飛行時間型質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；Time of Flight Mass Spectrometer）においては、一般に、イオン源からのイオンを電場により加速することで、イオンにその電荷に比例した運動エネルギを与え、その加速されたイオンが一定距離だけ飛行する時間を計測することで、イオンの質量電荷比を求めている。

イオン源には種々の方式のものが実用化されているが、例えば、タンパク質などの分析には、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ；Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization) に基づくイオン源が用いられるとともに、これと四重極型イオントラップとを組み合わせたものが多用されている（例えば特許文献１参照）。

このようなＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおいては、通常、サンプルのレーザ照射位置に対向して配置された引出電極とイオントラップとの間にアインツェルレンズを配置して、イオンを収束させた上でイオントラップのイオン入射口に導いている。

アインツェルレンズには高電圧が印加される関係上、絶縁が重要となり、このアインツェルレンズを形成する３枚の電極はそれぞれ絶縁体からなる支持体で支持される。しかし、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ測定においては、真空雰囲気中で電場を使ってイオンを飛行させるため、長時間に渡って使用すると絶縁体表面に正または負の荷電子が捕獲される現象（以下、「帯電」という）が生じる。この絶縁体表面の帯電によって電流リークを誘発する可能性が高くなり、電流リークが発生した場合には、検出器などの電子部品に重大な損傷を引き起こす危険性がある。

その他にも、絶縁体表面の帯電により、イオン軌道を制限する電界に変化が生じて測定誤差を生じるなど、さまざまな不都合が発生する。

真空雰囲気中の絶縁体表面から荷電子を除去する方法として、従来、イオン化させた窒素ガスや酸素ガスを中和用ガスとして用い、その中和用ガスを吹き付ける方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。

また、帯電した絶縁体表面から荷電子を除去する他の方法として、高温ガスを吹き付けて荷電子を拡散させる方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。この方法では、試料表面の荷電子を除去しながら、真空の主試料室内へのガスの拡散を防止するために、主試料室内の試料を、狭い空間を持つ副試料室で気密に覆うことによりその内側を主試料室の真空雰囲気から遮断した状態で、その副試料室内に高温ガスを吹き付けつつ、この副試料室内を排気するようにしている。

特開２０１３−１０４７４１号公報 特開平１０−１８９５４４号公報 実開平５−１１５５号公報

ところで、前記した特許文献２に開示されている帯電除去方法を実施するためには、帯電状況を把握し、中和用ガスを必要量吹き付けて中和加減を調整するという面倒な作業が必要となる。しかも、除電する間に真空雰囲気の真空度が悪化するため、この技術をＴＯＦＭＳに適用した場合には、除電作業後に真空度が回復するまでＴＯＦＭＳ測定を行うことができないという不具合もある。

一方、特許文献３に開示されている方法では、真空度の悪化に対する考慮はなされているが、この方法をＴＯＦＭＳに適用するためには、電極を支持する各絶縁体を気密に囲った状態で、各絶縁体を囲った内部に高温ガスを吹き付けつつ排気するという複雑な機構が必要となり、現実的には採用できない。

本発明は、例えばＴＯＦＭＳの真空チャンバ内における電極の支持部材などの絶縁体部材の表面の帯電を、真空度を悪化させることなく、簡単な構成のもとに確実に除去することのできる帯電除去機構と、その帯電除去機構を電極の支持部材に適用することにより、電流リークの危険性をなくし、安定した質量測定を行うことのできるＴＯＦＭＳの提供を課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の帯電除去機構は、真空雰囲気中に配置された絶縁体部材の帯電を除去する機構であって、上記絶縁体部材の表面に接触して摺動自在に接地された導電体部材と、その導電体部材を上記絶縁体部材の真空雰囲気中への露呈表面全域に渡って摺動させる移動機構とその制御手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明の帯電除去機構においては、上記移動機構のアクチュエータが形状記憶合金からなり、上記制御手段は、その形状記憶合金に通電加熱する電源とその制御手段とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明の帯電除去機構をより具体的に説明すると、上記絶縁体部材が柱状部材で、その周面が真空雰囲気中に露呈しており、上記導電体部材は、その柱状部材に接触嵌合するリング状部材であって、上記アクチュエータは、上記絶縁体部材の外周に沿って螺旋状に巻回された形状記憶合金からなり、その一端側に上記導電体部材が固着された構成（請求項３）とすることができる。

一方、本発明の飛行時間型質量分析装置は、真空チャンバ内に、イオン源からのイオンを電場により引き出して所定方向に案内する電極が設けられているとともに、上記真空チャンバ内に設けられ、既知の電界強度の電場により加速されたイオンを規定の飛行領域を経た後に検出するイオン検出器を備え、その検出器に到達する時間からイオンの質量電荷比を求める飛行時間型質量分析装置において、上記電極を支持する絶縁体からなる支持部材に、上記の請求項１、２または３のいずれかに記載の帯電除去機構を設けていることによって特徴づけられる（請求項４）。

本発明は、真空雰囲気中の絶縁体部材の表面に発生する帯電を、接地された導電体部材を直接的に接触させることで除去するという、言わば純機械的な処理によって帯電を除去することにより課題を解決しようとするものである。

すなわち、絶縁体部材表面の帯電は、接地した金属などの導電体部材を接触させることによって除去することができ、その導電体部材を、真空雰囲気中に露呈している絶縁体部材の全域に渡って摺動接触させることで、絶縁体部材表面全域の帯電を除去することができ、従来の帯電除去方法のようにガスを用いる必要が一切ないことから、真空雰囲気の真空度を何ら悪化させずに行うことができる。

導電体部材の移動機構のアクチュエータとして形状記憶合金を用い、これに通電して電気抵抗により加熱し、変態点に到達すると記憶している形状に復帰するように構成すれば、機械的に極めて簡単で、かつ、その制御も容易となる。

また、より具体的な構成として、絶縁体部材を柱状とし、導電体部材をその絶縁体部材の外周面に接触嵌合するリング状の部材とするとともに、アクチュエータは形状記憶合金を絶縁体部材の外周面に沿って螺旋状に巻回したコイルバネ状のものとして、その一端側にリング状の導電体部材を固着した構成を採用することで、大きなストロークを得ることができながらも、簡単な機構でコンパクトな帯電除去機構を実現することができる。

以上のような静電除去機構を、ＴＯＦＭＳの電場形成領域、すなわち、例えばアインツェルレンズの３つの電極間の絶縁体支持部材などに適用することにより、真空チャンバの真空度を悪化させることなく確実に絶縁体部材の帯電を除去することが可能となる。

本発明によれば、真空雰囲気中の絶縁体部材表面の帯電を、真空度を全く悪化させることなく確実に除去することができる。また、絶縁体部材に摺動接触する導電体部材のアクチュエータとして、例えばコイルバネ状の形状記憶合金を用いることにより、コンパクトかつ簡単な構成のもとに上記の作用効果を実現することができる。しかも、形状記憶合金は、小さな体積で相応のストロークが得られる金属であるため、放出ガスを少なくしたい真空雰囲気中でのアクチュエータとして適している。

以上の帯電除去機構を、ＴＯＦＭＳの真空チャンバ内の電場形成領域における電極の支持部材の絶縁体に適用して、ある一定の時間の運転ごと、あるいは必要に応じて随時その帯電除去機構を動作させることで、電流リークの危険性を排除し、安定した質量測定を行うことが可能となる。

本発明の実施形態における、帯電除去機構の非動作状態（ａ）、帯電除去機構の動作状態（ｂ）を表す断面図。 上部電極を省略して示した図１に対応する外観斜視図。 本発明の帯電除去機構を用いたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの構成例を示す概略断面図。 図３のアインツェルレンズの平面図（ａ）とＢ−Ｂ断面図（ｂ）。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の縦断面図であり、（ａ）は帯電除去機構の非動作状態を表しており、（ｂ）はその動作状態を表している。また、図２は図１の実施の形態の上部電極２の図示を省略して示す外観斜視図であって、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１の（ａ）および（ｂ）に対応して帯電除去機構の非動作状態および動作状態を表している。

下部電極１の上に上部電極２が円柱状の絶縁体スペーサ３を介して支持されており、これらの全体が真空雰囲気中に配置されている。絶縁体スペーサ３は、電極１，２あるいは近隣の電極（図示せず）が作る電場によりその表面が帯電する虞がある。

下部電極１には、絶縁体スペーサ３の配設位置に、当該絶縁体スペーサ３の直径よりも所定寸法だけ大きい直径の凹所１ａが形成されており、その凹所１ａ内に、コイル状に形成された形状記憶合金製のアクチュエータ４と、引張コイルバネからなる復帰バネ５の下端部が収容され、この凹所１ａがこれらのバネ座を形成している。そして、これらの形状記憶合金製アクチュエータ４および復帰バネ５は、絶縁体スペーサ３の外周に沿って同軸の螺旋状に巻回されている。

形状記憶合金製アクチュエータ４の上端部には、金属等の導電体リング６が固定されている。この導電体リング６は、その内周面が絶縁体スペーサ３の外周面に接触した状態で摺動自在に嵌合されている。また、この導電体リング６には復帰バネ５の上端部も固定されている。復帰バネ５は金属製であり、その下端は下部電極１に、上端は導電体リング６にそれぞれ機械的並びに電気的に接続されている。

形状記憶合金製アクチュエータ４には、電源７から配線７ａを通じて給電することができる。電源７は制御部８の制御下に置かれており、例えばオペレータによる操作があったとき、それ以外の幾つかの条件、例えば電極１，２が共に接地電位とされていることなどを満たした場合に、形状記憶合金製アクチュエータ４に給電する。この給電により、形状記憶合金製アクチュエータ４は自らの電気抵抗によって加熱され、その温度が変態点に到達することによって、記憶している形状に復帰する。本実施形態では、変態点に到達したときの形状、つまり記憶している形状は、図１，２の（ｂ）に示す形状である。

すなわち、形状記憶合金製アクチュエータ４は、電極１，２を含む装置の通常使用時、つまり形状記憶合金製アクチュエータ４に給電しない状態では自由に変形し、また、この状態では、引張コイルバネからなる復帰バネ５の弾性力によって図１，２の（ａ）のように凹所１ａ内に収容された状態となる。したがってこの状態では、導電体リング６は下部電極１の上面に当接した状態に位置決めされている。

形状記憶合金製アクチュエータ４に給電してその温度が変態点に到達すると、復帰バネ５の弾性力に抗して図１，２の（ｂ）に示す形状に復帰する。この復帰時において、先端に固定されている導電体リング６は、絶縁体スペーサ３の外周面に沿って下端部から上端部へと摺動接触する。導電体リング６は復帰バネ５を介して接地電位の下部電極１に接続されているため、絶縁体スペーサ３の真空雰囲気中に露呈しているほぼ全域が接地電位の導電体リング６に接触することになり、その表面の帯電が確実に除去される。

ここで、以上の実施の形態においては、絶縁体スペーサ３は円柱状としたが、その断面形状は特に限定されず、断面形状が軸方向に一様であれば、多角形など任意の形状とすることができる。勿論、導電体リング６はその絶縁体スペーサ３の断面形状と同じ形状の内周面を備えたものとする必要がある。

また、絶縁体スペーサ３の外周面に対して導電体リング６の内周面を確実に当接させるために、導電体からなるガスケット状の部材を導電体リング６の内周側に取り付けてもよく、例えば多数のＵ字バネ状の突片が内周面に設けられたブラシ様の部材なども採用することができる。

以上の本発明における実施の形態の具体的な適用例として、ＴＯＦＭＳが挙げられる。すなわち、ＴＯＦＭＳは真空チャンバ内に設けた電極に高圧電流を印加することによって作られる電場によりイオンを引き出したり収束させたりするため、電極の絶縁支持のために絶縁体部材が用いられている。上記した実施の形態は、この絶縁体部材の帯電を除去する機構として極めて有用である。

その一例として、図３に示すＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳに本発明を適用した例を以下に示す。図３はイオントラップを備えたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの概略構成を示す断面図である。

このイオントラップを備えたＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの基本的な構成は公知であるため詳細な説明は省略するが、全体構成を簡単に説明すると、サンプルステージ１１上のサンプルＳに対しレーザ光Ｌを照射することによって生成されたイオンは、引出電極１２によって引き出され、アインツェルレンズ１３により収束された上で、四重極型イオントラップ１４内に導かれる。四重極型イオントラップ１４内に導かれたイオンはそこで一旦捕捉され、特定の質量電荷比を有するイオンをプリカーサイオンとして選択的に四重極型イオントラップ１４内に残して他を外部に排出した後、四重極型イオントラップ１４内にＣＩＤガスを導入してプリカーサイオンを励振し、ＣＩＤガスと衝突させることにより解離させて飛行領域１５へと放出する。飛行領域１５を飛行したイオンは検出器１６により検出され、その到達に要した時間からイオンの質量電荷比が求められる。以上の各構成要素はいずれも真空チャンバ１７内に収容されている。

アインツェルレンズ１３は、図４（ａ）に平面図、同図（ｂ）にそのＢ−Ｂ断面図を示すように、３つのリング状電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃを同軸上に配置した構造を有し、各リング状電極１３ａと１３ｂ、１３ｂと１３ｃの間には、それぞれ３個の絶縁体スペーサ２０が介在している。また、最下層のリング状電極１３ａは、同様に３個の絶縁体スペーサ２０を介して引出電極１２上に支持されている。そして、これらの各絶縁スペーサ２０には、図１，２に示した帯電除去機構が設けられている。

すなわち、各絶縁体スペーサ２０には導電体リング２１がそれぞれ嵌め込まれており、その導電体リング２１はそれぞれの絶縁体スペーサ２０に対して接触摺動自在となっている。また、図４では図示を省略したが、各絶縁体スペーサ２０の配設位置の下側の各電極には図１，２に示した凹所１ａが形成され、そこに同じく図１，２に示した形状記憶合金製アクチュエータ４と復帰バネ５が収容され、各形状記憶金属製アクチュエータ４には電源７とその制御部８が接続されており、図１，２に示した実施の形態と同様に、オペレータからの指令により各形状記憶合金製アクチュエータ４に給電されることで、各導電体リング２１が各絶縁体スペーサ２０の外周面に沿って上方に摺動し、その外周面の帯電を除去する。

このような帯電除去機構を設けることにより、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳをある一定時間以上に渡って使用した後に静電除去の指令を与えることで、各絶縁体スペーサ２０の表面の帯電を確実に除去することができる。その結果、電流リークの虞がなくなるとともに、質量分析測定も安定したものとなる。

１，２ 電極
３ 絶縁体スペーサ（絶縁体部材）
４ 形状記憶金属製アクチュエータ
５ 復帰バネ
６ 導電体リング（導電体部材）
７ 電源
８ 制御部
１１ サンプルステージ
１２ 引出電極
１３ アインツェルレンズ
１４ 四重極型イオントラップ
１６ 検出器
１７ 真空チャンバ
Ｌ レーザ光

Claims (4)

1. 真空雰囲気中に配置された絶縁体部材の帯電を除去する機構であって、
   上記絶縁体部材の表面に接触して摺動自在に接地された導電体部材と、その導電体部材を上記絶縁体部材の真空雰囲気中への露呈表面全域に渡って摺動させる移動機構とその制御手段を備えてなる帯電除去機構。
2. 上記移動機構のアクチュエータが形状記憶合金からなり、上記制御手段は、その形状記憶合金に通電加熱する電源とその制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の帯電除去機構。
3. 上記絶縁体部材が柱状部材で、その周面が真空雰囲気中に露呈しており、上記導電体部材はその柱状部材に接触嵌合するリング状部材であって、上記アクチュエータは、上記絶縁体部材の外周に沿って巻回された形状記憶合金からなり、その一端側に上記導電体部材が固着されていることを特徴とする請求項２に記載の帯電除去機構。
4. 真空チャンバ内に、イオン源からのイオンを電場により引き出して所定方向に案内する電極が設けられているとともに、上記真空チャンバ内に設けられ、既知の電界強度の電場により加速されたイオンを規定の飛行領域を経た後に検出するイオン検出器を備え、その検出器に到達する時間からイオンの質量電荷比を求める飛行時間型質量分析装置において、
   上記電極を支持する絶縁体からなる支持部材に、請求項１、２または３のいずれか１項に記載の帯電除去機構が設けられていることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。

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