JP5743170B2 - 超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システム - Google Patents

超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システム Download PDF

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Description

本発明は、超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システムに関する。
現在、飛行時間（ＴＯＦ：time‐of‐flight）に基づく質量分析方法を利用する大部分の質量分析装置（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦおよび飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ））は、試料の表面を分析する時に、走査型モード（microprobe mode）を用いるようになっている。ところが、多様な分野の技術が急激に発展しており、質量分析装置で分析するべき対象の制限や分析速度の制限などが研究の妨げとなっている。すなわち、現在、薬物のような低分子量質量分析からタンパク質のような高分子量質量分析までの全ての質量分析が可能であり、且つ従来の質量分析装置より１００倍以上速い測定が可能な質量分析装置の必要性が高まっている。
より詳細に説明すると、以下のとおりである。現在、蛍光標識の強度を用いるマイクロアレイ型のバイオチップ診断や、染色（Ｈ＆Ｅ）や電子ビーム（Bio‐ＳＥＭ／ＴＥＭ）を用いてバイオプシー（biopsy）組織の形状を観察することによる診断を超えて、試料をそのまま測定して客観的かつ定量的に疾患を診断し、テーラーメイド医療を実現するためのデジタル分子診断質量分析システムが要求されている。特に、Ｒ＆Ｄ研究ではなく病院や健診センターで使用するためには、従来の質量分析システムより測定速度が少なくとも１００倍以上改善された（high‐throughput）質量顕微鏡タイプの分子診断システムの必要性が当業者により要求されつつあった。
また、従来の質量分析装置の測定速度の問題だけでなく、慢性疾患および腫瘍性疾患の早期診断およびテーラーメイド医療を実現するためには、薬物、代謝体、脂質、タンパク質のうち一部のみが測定可能なものより、実質的に全て測定可能なマルチモード質量分析プラットフォーム技術が必要であるという点も、重要な問題として指摘されている。また、試料のサイズおよび種類が制限されず、大面積のプレート、マイクロアレイチップ、バイオプシー組織などの多様な試料を超高速で測定することができる質量化学顕微鏡プラットフォーム技術が要求されている。
すなわち、慢性疾患および腫瘍性疾患の早期診断と個人別テーラーメイド診断および治療のために、疾患に係わる薬物、代謝体、脂質、タンパク質などの核心診断マーカーを開発するためのマルチモード超高速（high‐throughput）質量分析の必要性が増大している。
韓国標準科学研究院では、顕微鏡モード（microscope mode）でなく走査型モード（microprobe mode、空間分解能：ミクロン級、low‐throughput）のレーザーに基づくマトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）イメージング装置を自体的に製作し（特許出願および登録済み）、クラスターイオンビームが結合された走査型モード（空間分解能：１００nm、low‐throughput）飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）イメージング装置とともに用いて、ソウル大学病院、国立癌センター、東亜大学校医科大学、セブランス病院、サムスン医療院などと協力して、生体組織の質量イメージングによる疾病早期診断および個人別テーラーメイド診断の可能性を研究している。また、プロテオミクス利用技術開発事業（２１世紀フロンティア研究開発事業）を始めとする非常に多くの国のＲ＆Ｄ事業で、外国会社の多様な質量分析商用装置を用いて代謝体（ＧＣ‐ＭＳ）、誘電体およびタンパク質体（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）に係る疾患マーカーを探索および開発して、新薬開発および診断に用いるための研究を行っている。このように、韓国標準科学研究院では、ミクロン級の空間分解能を有する走査型（microprobe）モードのＭＡＬＤＩイメージング装置（以下、先行技術１）を自体的に製作して多様な生体試料の質量イメージングに適用しているが、上述したように、測定速度の限界という短所（low‐throughput）があるため、病院や健診センターで使用できる水準ではなく、Ｒ＆Ｄ研究段階であるといえる。
また、ドイツの癌研究所とMunster大学のArlinghaus教授グループは、イオンビームに基づくＴＯＦ‐ＳＩＭＳイメージング技術をＰＮＡ‐ＤＮＡマイクロアレイイメージング、およびＢＮＣＴ治療法による癌細胞の除去に関する研究などに用いている。さらに、クラスターイオンビームに基づくＴＯＦ‐ＳＩＭＳイメージング技術を用いて、韓国標準科学研究院では、ソウル大学病院（眼科、皮膚科）、セブランス病院、サムスン医療院、国立癌センターなどから提供される人肌、網膜、心臓、心血管、大腸組織および人体試料（serum、stoolなど）などを研究して、代謝体および脂質レベルでの疾病研究および診断、個人別化学療法（chemotherapy）、化学放射線療法（chemoradiation）の差などを研究している（以下、先行技術２）。しかし、このような技術も、走査型モードでイメージング測定を実行するため、測定速度において限界があるという短所（low‐throughput）がある。
米Sequenom社は、２００１年に米国国立がん研究所と共同で大規模のＳＮＰ（Single Nucleotide Polymorphism）研究を行って、ＰＮＡＳに「High throughput development and characterization of a genome‐wide collection of gene‐based SNP markers by chip‐based MALDI‐TOF」という論文（以下、先行技術３）を掲載した。先行技術３では、Sequenomの自動化された分析方法およびMassARRAY装置を使用して、９４人の人を対象として９，０００回以上の分析を行うことにより、今まで知られていない３，１４８個のＳＮＰを見つけるのに成功した。この研究により、ＳＮＰ分析の自動化が可能となり、ＤＮＡ試料をともに処理して一つの反応で数千人のＳＮＰを一度に分析できる可能性が開かれたと考えられる。
また、オランダＦＯＭ研究所のHeeren教授グループは、新しい形態の顕微鏡モードのＭＡＬＤＩイメージング装置を開発して、ミクロン級の空間分解能を有するイメージング技術（以下、先行技術４）を確保した。さらに、生体組織の質量イメージングによる新薬探索（drug discovery）、疾病診断（disease diagnosis）、バイオマーカー探索（biomarker discovery）研究の世界的な傾向に応じて、米国のApplied Biosystems、WatersおよびドイツのBruker‐Daltonicsなどの世界有数の質量分析装置会社も、２０００年代に入ってからイメージングＭＡＬＤＩ質量分析装置を開発および発売しつつある。
しかし、上述の先行技術による装置や、その他にも現在世界有数の研究グループ（米国のCaprioliなど）および韓国の研究グループ（建国大学校）が行っているＭＡＬＤＩイメージング研究および常用化された装置が有する実際の空間分解能は３０〜５０μm程度に過ぎず、または測定速度の限界を克服できていない状況である。このような空間分解能で得られる情報は、イメージングというよりは、単に組織から直接プロファイリング（direct profiling）する程度に過ぎないため、少なくとも、有意なイメージングのためには、ミクロン級の空間分解能を確保することが強く要求されている。
図１は走査型モードと顕微鏡モードとの差異を説明する図面である。国内外の分析市場で商用装置として市販されているレーザーに基づくＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦやイオンビームに基づくＴＯＦ‐ＳＩＭＳは、両方とも、質量化学イメージングや質量スペクトルを得るために、走査型モードで試料の表面をピクセルバイピクセル（pixel‐by‐pixel、e．x．,256x256）でスキャンしながらデータを得る（図１参照）。これにより、病院や健診用医療診断システムとして用いるには測定速度（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦについて１ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃ、ＴＯＦ‐ＳＩＭＳについて０．０１ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃ）が非常に遅いため、その活用範囲がＲ＆Ｄ研究に用いられる程度に制限されている。上述の先行技術４では、ミクロン級の空間分解能を有するイメージング技術を確保し、測定速度を高めるために多くの技術を導入しているが、図１に示したように、位置検知型検出器（position sensitive detector）（x，y）および質量ゲーティング(mass gating)（Δt）を用いて質量範囲を選択しなければならないという制限点があるため、未知の試料に対しては質量分析を実行することができないという問題点を依然として克服できていない。
尚、上述の先行技術によれば、１つの医療診断機器で低分子量から高分子量までの広い質量範囲の分子を測定することができないという問題がある。ＭＡＬＤＩを起こすマトリックス干渉（interference）によって、薬物や代謝体などの低分子量の分子を測定することが難しいため、レーザーに基づくＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦは主に遺伝子やタンパク質などの高分子量の分子を測定する際に用いられており、高分子量の分子に対する感度が低いイオンビームに基づくＴＯＦ‐ＳＩＭＳは、主に薬物、代謝体などの低分子量の分子を測定する際に用いられている。したがって、分子量に応じて測定装置を変えなければならないため、測定作業が不便であるだけでなく、装置の購入費用も上昇するなどの問題がある。
したがって、本発明は上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、分析しようとする対象の分子量に関わらず、遺伝子／タンパク質のような高分子量分析や薬物／代謝体／脂質／ペプチドのような低分子量分析が全て可能であるように、レーザービームまたはイオンビームをともに用い、また走査型方法でなく顕微鏡方法を用いることにより、測定速度を飛躍的に向上させることができる、超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システムを提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システムは、試料の質量化学分析を実行する質量顕微鏡システム１００であって、低分子量の試料から高分子量の試料までの全ての試料の分析が可能であるように、前記試料上に、レーザービーム、イオンビーム、または、レーザービームおよびイオンビームから選択される何れか１つをデフォーカス（defocus）された状態で照射し、前記試料のイメージを撮影するとともに、レーザービームまたはイオンビームが照射された時に前記試料から発生する二次イオンの位置を飛行時間（ＴＯＦ：time‐of‐flight）に基づいて測定して検出することにより、顕微鏡モード（microscope mode）で前記試料の質量イメージング分析を実行することを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料に照射されたレーザービームまたはイオンビームにより発生する二次イオンが円滑に検出されるように収集するイオン光学部組立体（ion optics assembly）５０を含むことを特徴とする。
この際、前記イオン光学部組立体５０は、少なくとも１つの抽出器（extractor）および少なくとも１つのアインツェルレンズ（einzel lens）を含んでなるイオン光学部５１と、管状に形成され、前記イオン光学部５１と同軸上に配置されるように前記イオン光学部５１の後端に設けられたソース組立体支持台（source assembly support）５２と、板状に形成され、前記ソース組立体支持台５２と同軸上に配置されるマウンティングプレート（mounting plate）５３と、管状に形成され、前記マウンティングプレート５３の中心部を貫通して前記イオン光学部５１と同軸上に配置されるように設けられた接地電場遮蔽管５４と、前記接地電場遮蔽管５４の後端に設けられ、前記イオン光学部５１により収集されて前記接地電場遮蔽管５４を通過して飛行してきた二次イオンを案内して通過させるイオンゲート（ion gate）５５と、を含むことを特徴とする。この際、前記イオン光学部組立体５０は、前記マウンティングプレート５３に設けられたリフレクトロン支持台５６により支持され、前記イオンゲート５５の後側に少なくとも１つのイオンミラー（ion mirror）が積層配置された形態に形成されるリフレクトロン（reflectron）５７をさらに含むことを特徴とする。
また、前記イオン光学部５１は、内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が円錐状に形成されており、二次イオンが通過するように、円錐の頂点位置に軸方向に貫通した通孔を有し、前記円錐の頂点部分が前記試料に近接配置される外側抽出器（outer extractor）５１１と、内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が半球状に形成されており、二次イオンが通過するように、半球の中心部分に軸方向に貫通した通孔を有し、前記外側抽出器５１１の内側に一部が挿入されて前記外側抽出器５１１と同軸上に配置された第１内側抽出器（1st inner extractor）５１２と、二次イオンが通過するように、中心部に軸方向に貫通した通孔を有する柱状に形成され、前記第１内側抽出器５１２と同軸上に配置されており、前記第１内側抽出器５１２とは連結され、前記外側抽出器５１１とは絶縁スペーサー５１３により離隔配置された第２内側抽出器（2nd inner extractor）５１４と、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記第２内側抽出器５１４の後側で絶縁スペーサー５１５により離隔されて同軸上に配置された第１接地電極５１６と、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有し、前記第１接地電極５１６の後側で離隔されて同軸上に配置されたアインツェルレンズ（einzel lens）５１７と、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記アインツェルレンズ５１７の後側で離隔されて同軸上に配置された第２接地電極５１８と、を含むことを特徴とする。
この際、前記高分子量の試料は、遺伝子、タンパク質、ポリマーから選択される少なくとも何れか１つであることを特徴とする。また、前記低分子量の試料は、薬物、代謝体、脂質、ペプチドから選択される少なくとも何れか１つであることを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、レーザービームを照射する場合には、マトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）方式を用いて二次イオンの位置を検出することを特徴とする。または、前記質量顕微鏡システム１００は、イオンビームを照射する場合には、飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）方式を用いて二次イオンの位置を検出することを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定するために、ディレイライン検出器（delay‐line detector）を含む時間位置同時検出器を用いることを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定する時に、リニア（linear）方式およびリフレクトロン（reflectron）方式の両方を用いることを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料にレーザービームを照射するレーザー入力部（LASER input）１１０と、前記試料にイオンビームを照射するイオン銃組立体（ion gun assembly）１２０と、試料導入部１３１を介して前記試料が導入される試料導入チャンバ（sample inlet chamber）１３０と、前記試料が配置される試料プレート（sample plate）１４０と、前記試料プレート１４０の位置を調節する試料プレート操作部（sample plate manipulator）１５０と、前記試料のイメージを撮影するＣＣＤカメラ１６０と、前記試料に照射されるレーザービームまたはイオンビームの焦点を調節するソースレンズ組立体（source lens assembly）１７０と、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定する位置測定ＴＯＦ検出器と、を含むことを特徴とする。この際、前記位置測定ＴＯＦ検出器は、前記試料から発生する二次イオンの位置をリニア方式で測定するリニアモード位置測定ＴＯＦ検出器（linear mode position sensitive TOF detector）１８０と、前記試料から発生する二次イオンの位置をリフレクトロン方式で測定するリフレクトロンモード位置測定ＴＯＦ検出器（reflectron mode position sensitive TOF detector）１９０と、を含むことを特徴とする。
また、前記質量顕微鏡システム１００において、前記位置測定ＴＯＦ検出器は前記イオン光学部組立体５０を含むことを特徴とする。
試料の表面を分析する時に走査型（microprobe）モードを用いていた従来の装置に比べ、本発明は、ＴＯＦに基づく顕微鏡（microscope）モード測定が可能であるため、従来の質量分析装置より測定速度が飛躍的に（１００倍以上）増加するという大きい効果を有する。また、本発明によれば、生体組織／バイオチップ／マイクロアレイなどの試料でレンズの条件を変化させるだけで、表面に存在する薬物／代謝体／脂質などのような低分子量の質量分析だけでなく遺伝子／タンパク質などのような高分子量の質量分析が可能であるという大きい効果を有する。
また、次のような効果も予想される。これからは、個人別、疾病種類別、多様な種類の診断キット別のマルチモード統合診断システムの開発による疾病診断の客観性、定量性、正確性を高めることができる医療診断機器の要求が増大するはずである。また、ＢＴ‐ＮＴ‐ＩＴ技術の融合により、これまでは不可能であった測定技術が開発され、これに基づいて超高速マルチモード分子診断が可能となると考えられる。したがって、蛍光染色や生体−走査型／透過型電子顕微鏡(Bio‐SEM/TEM)を用いたバイオプシー組織の構造や形状研究において、多様な原子および分子の機能に関連する統合質量イメージング測定への変化が可能となるため、構造変化および機能変化を同時に連結させることができる診断ツールが開発されると考えられる。特に、このような質量分析装置に関する技術は、国内外の技術格差が大きくない。
そこで、本発明の装置を活用することにより、疾患の早期診断およびテーラーメイド医療が実現されるだけでなく、新薬のスクリーニングにかかるコストが低減でき、代謝体、脂質、タンパク質などの疾患と密接な関連性を有するバイオマーカーの開発可能性を画期的に高めることができる効果があり、これにより、新しい新薬開発も非常に円滑になるという大きい効果がある。すなわち、本発明の装置は、新しい臨床診断環境および情報の提供、そして医療診断産業の創出増大、生活の質の改善、国の競争力の増大など、非常に多様な面において大きい効果を得ることができる。
走査型モード（microprobe mode）と顕微鏡モード（microscope mode）との差異を示す図面である。 従来の診断方法と質量化学分析に基づく診断方法との差異を示す図面である。 マトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）および飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）を用いる分子診断測定を説明するための図面である。 本発明の質量分析装置（顕微鏡モード）と従来の質量分析装置（走査型モード）との差異を示す図面である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡の基本原理および特性を説明するための図面である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部（ion optics）の断面図である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部（ion optics）の斜視図である。 二次イオンのリニアモード‐ＭＡＬＤＩでの電圧条件およびＳＩＭＩＯＮ計算結果を示す図面である。 二次イオンのリフレクトロンモード‐ＭＡＬＤＩでの電圧条件およびＳＩＭＩＯＮ計算結果を示す図面である。 二次イオンのリフレクトロンモード‐ＳＩＭＳでの電圧条件およびＳＩＭＩＯＮ計算結果を示す図面である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部とリフレクトロン（reflectron）とが結合されたイオン光学部組立体の斜視図である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部組立体を実際に製作した実施例の写真である。 本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡を示す図面である。
以下、上記の構成を有する本発明による超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システムを添付図面を参照して詳細に説明する。
図２は従来の診断方法と質量化学分析に基づく診断方法との差異を簡略に説明するための図面である。図２に図示されたように、従来の医療映像に活用されている染色顕微鏡の場合、単純な形状情報を見出すだけであるため、客観的かつ定量的な情報の獲得が困難であり、したがって診断が観察者の主観的な判断に左右される傾向にあった。本発明の質量顕微鏡は、生体試料（血液、生検癌組織など）に含まれている多様な分子の質量、濃度、分布を測定して身体の疾病情報を客観的かつ定量的に見出し、これに基づいて臨床医が疾病を診断できるようにするためのものである。本発明の質量顕微鏡は、従来のように形状情報のみに依存するのでなく、分子の質量による化学情報に基づくものであるため、高感度／早期診断／高信頼性／薬物治療モニタリング／薬物治療効果予測などに有用に用いられることができる。特に、癌診断／組織検査における３つの課題である早期診断／スクリーニング、正確かつ高信頼性の癌組織検査、薬物治療効果予測に大きく寄与すると予想される。
図３はマトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）および飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）を用いた分子診断測定方法を簡略に説明するための図面である。図３に示すように、何れか１つの試料に対してレーザービームを使用すると、脂質、遺伝子、タンパク質を用いた高分子量の分子診断測定が可能であり（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）、同一の試料に対して加速イオンビームを使用すると、薬物、代謝体、ペプチドを用いた低分子量の分子診断測定が可能である（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）ため、ＳＩＭＳとＭＡＬＤＩとを融合することにより、マルチモード医療診断機器を開発することができることが分かる。
図４は本発明の質量分析装置（顕微鏡モード）と従来の質量分析装置（走査型モード）との差異を説明するための図面である。上述したように、ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合マルチモード医療診断機器を開発するために克服するべきの最も大きい問題は以下のとおりである。ＭＡＬＤＩ方式とＳＩＭＳ方式とを単純融合する場合、分析時間が非常に長いため（low throughput）臨床医療機器として使用することが困難である問題がある。この問題の根本的な理由は、従来のＭＡＬＤＩやＳＩＭＳでは、集中された（focused）レーザービームや加速イオンビームを用いてバイオ試料の表面をスキャンする、すなわち、走査型モード（microprobe mode）を用いるためである。本発明では、この根本的な問題を解決するために、スキャン方式でなく、カメラで撮影する方式、すなわち、顕微鏡モード（microscope mode）を導入することで、分析時間を従来より減少させる（high throughput）効果を得ることを目的とする。
図５は本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡の基本原理および特性を説明するための図面である。本発明の質量顕微鏡システムは、イオン信号の位置（x，y）と飛行時間（t）を同時に測定することができる、（x，y，t）検出のための位置測定ＴＯＦ検出器（position sensitiveTOF detector）としてディレイライン検出器（delay‐line detector）を用いるとともに、Ａ／Ｄコンバータ（converter）に基づくデータ処理技術およびリフレクトロン（reflectron）を用いる飛行時間（time‐of‐flight：ＴＯＦ）に基づく質量化学顕微鏡である。
ここで、ＴＯＦ質量分析法について簡略に説明すると、次のとおりである。マトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）質量分析法は、試料にＵＶを吸収するマトリックスを添加して結晶化させた後、レーザーを照射してイオン化させることで生成されたイオンのm／zによる飛行時間の差を用いて質量を分析する分析法であって、ＧＰＣ／ＳＥＣとは異なって、高分子の絶対質量を測定することができるため、タンパク質などの生体高分子および合成高分子、添加剤などの分析に非常に有用に用いられる分析法である。ＴＯＦ質量分析法は、リニア（linear）方式とリフレクトロン（reflectron）方式に大別されるが、リニア方式は、生成された全てのイオンが直線の飛行管を通過するようにする方式であり、リフレクトロン方式は、飛行管の端部にイオン鏡を付着して限定された範囲の分解能を増加させる方式である。
この際、本発明の質量顕微鏡システムは、従来のＭＡＬＤＩなどで用いられる走査型モード（microprobe mode）でなく顕微鏡モード（microscope mode）を導入した飛行時間測定タイプの質量測定方式を採択することにより、レーザーを用いて試料から発生するイオン（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）やイオンビームを用いて試料から発生するイオン（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）の両方の質量および分布測定が可能である。特に、ＦＯＶ（Field‐of‐View）が最大０．５x０．５mm程度まで可能であるように、レーザービーム／イオンビームをデフォーカス（defocus）して試料に照射および測定できるようにすることで、生体組織の場合、試料ステージを動かさなくても測定が可能であり、大面積のマイクロアレイ（microarray）や微細流体工学的試料プレート（microfluidics‐interfaced sample plate）は、試料ステージを高精度に調節することで、従来の商用装置の測定速度（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦについて１ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃ、ＴＯＦ‐ＳＩＭＳについて０．０１ｓａｍｐｌｅ／ｓｅｃ）より少なくとも１００倍以上の速度で超高速（high‐throughput）測定が可能である。また、本発明は、リニア（linear）モード／リフレクトロン（reflectron）モードの両方でディレイライン検出器（delay‐line detector、ＤＬＤ）のような時間位置同時検出器を用いることにより（以下の実施例では、説明を簡略にするために、時間位置同時検出器としてディレイライン検出器を用いることにし、これについて説明したが、本発明で二次イオンの時間および位置を同時に検出できる装置であれば、ＤＬＤ以外の他の装置を使用してもよい）、超高速質量分析および質量分布イメージ測定が可能であって、特定質量（m／z）の識別（identification）のためにリフレクトロンモードとＰＳＤ（post‐source decay）を用いたＭＳ／ＭＳ測定が可能である。
以下、本発明の質量顕微鏡システムの具体的な構造についてより詳細に説明する。
図６は本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部（ion optics）の断面図であり、図７は本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部（ion optics）の斜視図である。上述したように、デフォーカスされたレーザービームまたはイオンビームにより試料から発生する二次イオンが、円滑にディレイライン検出器（delay‐line detector）に拡大されて集められるようにするためには、イオン光学部（抽出器、アインツェルレンズ（einzel lens）などからなる）が適切に設計および製作されなければならない。
前記イオン光学部５１は、試料が載せられる試料プレートに近接配置され、試料にレーザービームまたはイオンビームが照射されて発生する二次イオンが検出器に円滑に拡大されて集められるようにする役割をする。前記イオン光学部５１は、上述したように、少なくとも１つの抽出器および少なくとも１つのアインツェルレンズを含んでなることができる。この際、本発明では、最適の電圧条件を見出すためのイオン軌道（trajectory）計算法であるＳＩＭＩＯＮを用いて設計した。図６はこのようなＳＩＭＩＯＮシミュレーションに用いた試料プレート（sample plate）／抽出器／アインツェルレンズなどの具体的な構造および寸法（dimension）の一実施例を示している。より具体的に説明すると、本発明では設計時に、二次イオンの多様な初期条件（初期変位１１条件（−０．２５，−０．２，…，０．２５mm）、分子量m／z＝１０００、初期運動エネルギ５条件（１，２，３，４，５eV）、初期角度７条件（−９，−６，−３，…，９゜）、総３８５イオン）を用いて、リニアモード‐ＭＡＬＤＩ（図８参照）、リフレクトロンモード‐ＭＡＬＤＩ（図９参照）、リフレクトロンモード‐ＳＩＭＳ（図１０参照）での電圧条件によるＳＩＭＩＯＮ計算結果を得たが、試料から発生する二次イオンが各位置に応じてディレイライン検出器に適当な倍率（各３４．４倍，４０倍，４２倍）でフォーカスされる条件を見出すことができた。これに基づいて、図６および図７に図示されたようなイオン光学部を設計した。
図６および図７に図示されたように、前記イオン光学部５１は、外側抽出器（outer extractor）５１１と、第１内側抽出器（1st inner extractor）５１２と、絶縁スペーサー５１３と、第２内側抽出器（2nd inner extractor）５１４と、絶縁スペーサー５１５と、第１接地電極５１６と、アインツェルレンズ（einzel lens）５１７と、第２接地電極５１８と、を含んでなることができる。各部について簡略に説明すると次のとおりである。
前記外側抽出器５１１は、内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が円錐状に形成されており、二次イオンが通過するように、円錐の頂点位置に軸方向に貫通した通孔を有し、前記円錐の頂点部分が前記試料に近接配置される。
前記第１内側抽出器５１２は、内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が半球状に形成されており、二次イオンが通過するように、半球の中心部分に軸方向に貫通した通孔を有し、前記外側抽出器５１１の内側に一部が挿入されて前記外側抽出器５１１と同軸上に配置されている。
前記第２内側抽出器５１４は、二次イオンが通過するように、中心部に軸方向に貫通した通孔を有する柱状に形成され、前記第１内側抽出器５１２と同軸上に配置されており、前記第１内側抽出器５１２とは連結され、前記外側抽出器５１１とは絶縁スペーサー５１３により離隔配置されている。
前記第１接地電極５１６は、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記第２内側抽出器５１４の後側で絶縁スペーサー５１５により離隔されて同軸上に配置されている。
前記アインツェルレンズ５１７は、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有し、前記第１接地電極５１６の後側で離隔されて同軸上に配置される。
前記第２接地電極５１８は、二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記アインツェルレンズ５１７の後側で離隔されて同軸上に配置されている。
すなわち、前記イオン光学部５１は、試料側から見て、前記外側抽出器５１１‐前記第１内側抽出器５１２‐前記絶縁スペーサー５１３‐前記第２内側抽出器５１４‐前記絶縁スペーサー５１５‐前記第１接地電極５１６‐前記アインツェルレンズ５１７‐前記第２接地電極５１８の順に配列された形態を有する。
このような構造を有する本発明の前記イオン光学部５１は、次の特徴を有する。第一に、前記外側抽出器５１１および前記内側抽出器５１２、５１４の電圧を調節することで、像の倍率を調節することができる。第二に、前記接地電極５１６、５１８は、前記アインツェルレンズ５１７に像をフォーカスさせるために用いられる。第三に、前記内側抽出器５１２、５１４の通孔が長い管状に形成されることで、イオンが前記通孔内を通過する際に、電圧を昇圧させて運動エネルギーを増加させることができる。第四に、イオンは、試料プレートと前記外側抽出器５１１との間、前記外側抽出器５１１と前記第１内側抽出器５１２との間、前記第２内側抽出器５１４と前記第１接地電極５１６との間で加速される。
本発明は、上述したように、ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ二次イオンの電圧によるＳＩＭＩＯＮイオン軌道（ion trajectory）計算結果に基づいて製作されたイオン光学部５１を用いて、図１１に図示されたように、本発明の質量顕微鏡システム、すなわち、本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡におけるイオン検出を実行するイオン光学部組立体５０を構成した。図１２は本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡のイオン光学部組立体を実際に製作した実施例の写真である。図１１を参照して各部についてより詳細に説明すると次のとおりである。
本発明の質量顕微鏡システム１００は、前記試料に照射されたレーザービームまたはイオンビームにより発生する二次イオンが円滑に検出されるように、二次イオンを収集するイオン光学部組立体（ion optics assembly）５０を含む。この際、前記イオン光学部組立体５０は、少なくとも１つの抽出器および少なくとも１つのアインツェルレンズを含んでなるイオン光学部５１を含むが、前記イオン光学部５１は、図６、図７およびこれに係わる説明部分で説明された技術内容に従って製作されることが最も好ましいが、使用者の目的や設計意図などに応じて本発明の技術思想を外れない範囲内で一部変形実施してもよい。
前記イオン光学部組立体５０は、前記イオン光学部５１の他にも、管状に形成され、前記イオン光学部５１と同軸上に配置されるように前記イオン光学部５１の後端に設けられるソース組立体支持台（source assembly support）５２と、板状に形成され、前記ソース組立体支持台５２と同軸上に配置されるマウンティングプレート（mounting plate）５３と、管状に形成され、前記マウンティングプレート５３の中心部を貫通して前記イオン光学部５１と同軸上に配置される接地電場遮蔽管５４と、前記接地電場遮蔽管５４の後端に設けられ、前記イオン光学部５１により収集されて前記接地電場遮蔽管５４を通過して飛行してきた二次イオンを案内して通過させるイオンゲート（ion gate）５５と、を含むことができる。
この際、上記の構成のみを有する場合、前記イオン光学部組立体５０はリニア方式の位置測定だけが可能である。したがって、前記イオン光学部組立体５０は、前記マウンティングプレート５３に設けられたリフレクトロン支持台５６により支持され、前記イオンゲート５５の後側に少なくとも１つのイオンミラー（ion mirror）が積層配置された形態に形成されるリフレクトロン（reflectron）５７をさらに含むことができる。これにより、前記イオン光学部組立体５０はリニア方式だけでなくリフレクトロン方式でイオンの位置を測定することもできることになる。
前記イオン光学部組立体５０が上記の構成を有することにより、次の特徴を有することになる。第一に、前記イオン光学部組立体５０は、全てのレンズの平衡度および同心度などを円滑に合わせるために、１つの組立体（assembly）で結合されて構成されるように設計されたものである。第二に、前記イオン光学部組立体５０は、前記マウンティングプレート５３を中心としてソース部分とリフレクトロンを支持する部分とに分けられることで、安定した構造をなすことができる。第三に、前記リフレクトロン支持台５６は、図示されたように、中間に多数のプレートが締結されることが好ましく、この構成により、歪みが最大限に防止されて安定した構造を有するとともに、側面に検出器が設けられることができる。第四に、前記接地電場遮蔽管５４により、側面に検出器が設けられる場合にも、この検出器からの電場を遮断してノイズを防止することができる。
図１３は本発明のマルチモード（ＭＡＬＤＩ／ＳＩＭＳ融合）質量化学顕微鏡、すなわち、本発明の質量顕微鏡システム１００を図示したものである。
本発明の超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システムの主要特徴を概念的に説明すると次のとおりである。本発明の質量顕微鏡システムは、試料の質量化学分析を実行する質量顕微鏡システム１００であって、低分子量の試料から高分子量の試料までの全ての試料の分析が可能であるように、前記試料上にレーザービーム、イオンビーム、または、レーザービームおよびイオンビームから選択される何れか１つをデフォーカス（defocus）された状態で照射し、前記試料のイメージを撮影するとともに、レーザービームまたはイオンビームが照射された時に前記試料から発生する二次イオンの位置を、飛行時間（ＴＯＦ、time‐of‐flight）に基づいて測定および検出することにより、顕微鏡モード（microscope mode）で前記試料の質量イメージング分析を実行することを特徴とする。従来は、走査型モード（microprobe mode）を用いていたため、測定時間が長くかかるという問題があったが、本発明は、ビームをデフォーカスされた状態で照射し、（走査型モードで用いられる、ピクセルバイピクセルで試料をスキャンする方式でなく）撮影方式を用いることにより、測定時間を従来に比べ１００倍以上短縮させることができるという飛躍的な効果を奏することができる。また、本発明は、試料にレーザービームのみが照射されるか、イオンビームのみが照射されるか、またはレーザービームおよびイオンビームの両方が照射されるようにするが、この際、上述したように顕微鏡モードで二次イオンの位置を飛行時間に基いて測定する方法を適用することにより、遺伝子／タンパク質／ポリマーなどのような高分子量の試料から薬物／代謝体／脂質／ペプチドなどのような低分子量の試料まで、試料対象の分子量にかかわらず、全ての質量範囲の如何なる試料も測定可能であるため、その活用性が遥かに高くなるという大きい効果が得られる。さらに、本発明の質量顕微鏡システム１００は、レーザービームを照射する場合にはＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ方式で二次イオンの位置を検出することができ、イオンビームを照射する場合にはＴＯＦ‐ＳＩＭＳ方式で二次イオンの位置を検出することができて、このマトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）方式と飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）方式の二つの方式を融合することにより、その活用範囲の拡大効果をさらに極大化することができる。
前記質量顕微鏡システム１００の具体的な構造について説明すると次のとおりである。前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料にレーザービームを照射するレーザー入力部（LASER input）１１０と、前記試料にイオンビームを照射するイオン銃組立体（ion gun assembly）１２０と、試料導入部１３１を介して前記試料が導入される試料導入チャンバ（sample inlet chamber）１３０と、前記試料が配置される試料プレート（sample plate）１４０と、前記試料プレート１４０の位置を調節する試料プレート操作部（sample plate manipulator）１５０と、前記試料のイメージを撮影するＣＣＤカメラ１６０と、前記試料に照射されるレーザービームまたはイオンビームの焦点を調節するソースレンズ組立体（source lens assembly）１７０と、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定する位置測定ＴＯＦ検出器と、を含むことができる。この際、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定するためにディレイライン検出器（delay‐line detector）を用いることができる。また、前記試料プレート操作部１５０は、その自由度が最大限高くなるように、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｘ傾斜(X‐tilt)、Ｙ傾斜(Y‐tilt)の５軸への操作が可能であるように形成されることが最も好ましい。
さらに、前記質量顕微鏡システム１００は、前記位置測定ＴＯＦ検出器が、図１１、図１２およびそれに係る説明で説明された前記イオン光学部組立体５０を含んでなることが好ましい。前記イオン光学部組立体５０は、レーザービームまたはイオンビームが照射された試料から発生した二次イオンを効果的に集めて検出器に送るように設計されたものであるため、図１１などで説明されたような前記イオン光学部組立体５０を用いる場合、より効果的な測定が可能となる。
また、前記質量顕微鏡システム１００は、前記試料から発生する二次イオンの位置を測定する時に、リニア（linear）方式およびリフレクトロン（reflectron）方式の両方を用いることで、より正確な測定が可能である。そのために、より具体的には、前記イオン光学部組立体５０は、リフレクトロンまたはその側面に配置される検出器を含むように形成され、前記位置測定ＴＯＦ検出器は、図示されたように、前記試料から発生する二次イオンの位置をリニア方式で測定するリニアモード位置測定ＴＯＦ検出器（linear mode position sensitive TOF detector）１８０と、前記試料から発生する二次イオンの位置をリフレクトロン方式で測定するリフレクトロンモード位置測定ＴＯＦ検出器（reflectron mode position sensitive TOF detector）１９０と、を含むことができる。
本発明は上記の実施例に限定されず、適用範囲が多様であることが勿論であって、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変形実施が可能であることは勿論である。
本発明は、ビームをデフォーカスされた状態で照射し、（走査型モードで用いられる、ピクセルバイピクセルで試料をスキャンする方式でなく）撮影方式を用いることにより、測定時間を従来に比べ１００倍以上短縮させることができるという飛躍的な効果を奏することができる。また、本発明は、遺伝子／タンパク質／ポリマーなどのような高分子量の試料から薬物／代謝体／脂質／ペプチドなどのような低分子量の試料まで、試料対象の分子量にかかわらず、全ての質量範囲の如何なる試料も測定可能であるため、その活用性が遥かに高くなるという大きい効果を得ることができる。さらに、本発明は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）方式と飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）方式とを融合することにより、その活用範囲がさらに拡大される効果を得ることができる。
１００ （本発明の）質量顕微鏡システム
１１０ レーザー入力部
１２０ イオン銃組立体
１３０ 試料導入チャンバ
１３１ 試料導入部
１４０ 試料プレート
１５０ 試料プレート操作部
１６０ ＣＣＤカメラ
１７０ ソースレンズ組立体
１８０ リニアモード位置測定ＴＯＦ検出器
１９０ リフレクトロンモード位置測定ＴＯＦ検出器
５０ イオン光学部組立体
５１ イオン光学部
５２ ソース組立体支持台
５３ マウンティングプレート
５４ 接地電場遮蔽管
５５ イオンゲート
５６ リフレクトロン支持台
５７ リフレクトロン
５１１ 外側抽出器
５１２ 第１内側抽出器
５１３ 絶縁スペーサー
５１４ 第２内側抽出器
５１５ 絶縁スペーサー
５１６ 第１接地電極
５１７ アインツェルレンズ
５１８ 第２接地電極

Claims (10)

  1. 試料の質量化学分析を実行する質量顕微鏡システム１００であって、
    低分子量の試料から高分子量の試料までの全ての試料の分析が可能であるように、前記試料上に、レーザービーム、イオンビーム、または、レーザービームおよびイオンビームから選択される何れか１つをデフォーカス（defocus）された状態で照射し、前記試料のイメージを撮影するとともに、レーザービームまたはイオンビームが照射された時に前記試料から発生する二次イオンの位置を飛行時間（ＴＯＦ、time‐of‐flight）に基づいて測定して検出することにより、顕微鏡モード（microscope mode）で前記試料の質量イメージング分析を実行し、
    前記試料に照射された前記レーザービームまたは前記イオンビームにより発生する前記二次イオンが円滑に検出されるように前記二次イオンを収集するイオン光学部組立体（ion optics assembly）５０を含み、
    前記イオン光学部組立体５０は、
    少なくとも１つの抽出器（extractor）および少なくとも１つのアインツェルレンズ（einzel lens）を含んでなるイオン光学部５１と、
    管状に形成され、前記イオン光学部５１と同軸上に配置されるように前記イオン光学部５１の後端に設けられたソース組立体支持台（source assembly support）５２と、
    板状に形成され、前記ソース組立体支持台５２と同軸上に配置されたマウンティングプレート（mounting plate）５３と、
    管状に形成され、前記マウンティングプレート５３の中心部を貫通して前記イオン光学部５１と同軸上に配置された接地電場遮蔽管５４と、
    前記接地電場遮蔽管５４の後端に設けられ、前記イオン光学部５１により収集されて前記接地電場遮蔽管５４を通過して飛行してきた前記二次イオンを案内して通過させるイオンゲート（ion gate）５５と、
    前記マウンティングプレート５３に設けられたリフレクトロン支持台５６により支持され、前記イオンゲート５５の後側に少なくとも１つのイオンミラー（ion mirror）が積層配置された形態に形成されたリフレクトロン（reflectron）５７と、を含み、
    前記イオン光学部５１は、
    内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が円錐状に形成されており、二次イオンが通過するように、円錐の頂点位置に軸方向に貫通した通孔を有し、前記円錐の頂点部分が前記試料に近接配置される外側抽出器（outer extractor）５１１と、
    内部が空洞の管状胴体に形成され、一側が半球状に形成されており、二次イオンが通過するように、半球の中心部分に軸方向に貫通した通孔を有し、前記外側抽出器５１１の内側に一部が挿入されて前記外側抽出器５１１と同軸上に配置された第１内側抽出器（1st inner extractor）５１２と、
    前記二次イオンが通過するように、中心部に軸方向に貫通した通孔を有する柱状に形成され、前記第１内側抽出器５１２と同軸上に配置されており、前記第１内側抽出器５１２とは連結され、前記外側抽出器５１１とは絶縁スペーサー５１３により離隔配置された第２内側抽出器（2nd inner extractor）５１４と、
    前記二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記第２内側抽出器５１４の後側で絶縁スペーサー５１５により離隔されて同軸上に配置された第１接地電極５１６と、
    前記二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有し、前記第１接地電極５１６の後側で離隔されて同軸上に配置されたアインツェルレンズ（einzel lens）５１７と、
    前記二次イオンが通過するように、中心部に形成された通孔を有する板状に形成され、前記アインツェルレンズ５１７の後側で離隔されて同軸上に配置された第２接地電極５１８と、を含むことを特徴とする、超高速マルチモード質量分析のための飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  2. 前記高分子量の試料は、遺伝子、タンパク質、ポリマーから選択される少なくとも何れか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  3. 前記低分子量の試料は、薬物、代謝体、脂質、ペプチドから選択される少なくとも何れか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  4. レーザービームを照射する場合には、マトリックス支援レーザー脱離イオン化−飛行時間（ＭＡＬＤＩ‐ＴＯＦ）方式を用いて前記二次イオンの位置を検出することを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  5. イオンビームを照射する場合には、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ‐ＳＩＭＳ）方式を用いて前記二次イオンの位置を検出することを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  6. 前記試料から発生する前記二次イオンの位置を測定するために、ディレイライン検出器（delay‐line detector）を含む時間位置同時検出器を用いることを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  7. 前記試料から発生する前記二次イオンの位置を測定する時に、リニア（linear）方式およびリフレクトロン（reflectron）方式の両方を用いることを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  8. 試料にレーザービームを照射するレーザー入力部（LASER input）１１０と、
    試料にイオンビームを照射するイオン銃組立体（ion gun assembly）１２０と、
    試料導入部１３１を介して前記試料が導入される試料導入チャンバ（sample inlet chamber）１３０と、
    前記試料が配置される試料プレート（sample plate）１４０と、
    前記試料プレート１４０の位置を調節する試料プレート操作部（sample plate manipulator）１５０と、
    前記試料のイメージを撮影するＣＣＤカメラ１６０と、
    前記試料に照射される前記レーザービームまたは前記イオンビームの焦点を調節するソースレンズ組立体（source lens assembly）１７０と、
    前記試料から発生する前記二次イオンの位置を測定する位置測定ＴＯＦ検出器と、
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  9. 前記位置測定ＴＯＦ検出器は、
    前記試料から発生する前記二次イオンの位置をリニア方式で測定するリニアモード位置測定ＴＯＦ検出器（linear mode position sensitive TOF detector）１８０と、
    前記試料から発生する前記二次イオンの位置をリフレクトロン方式で測定するリフレクトロンモード位置測定ＴＯＦ検出器（reflectron mode position sensitive TOF detector）１９０と、を含むことを特徴とする、請求項８に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
  10. 前記位置測定ＴＯＦ検出器は前記イオン光学部組立体５０を含むことを特徴とする、請求項８に記載の飛行時間に基づく質量顕微鏡システム。
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