JP5875483B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板表面に接触された試料を、該基板表面から脱離させ、イオン化した、試料中の測定対象物質を捕捉して質量分析する質量分析装置に関するものである。

物質の同定等に用いられる分析法において、基板の表面に付着した測定対象物質を基板表面から脱離させ、イオン化させてその物質の質量と荷電の比によって物質を同定する、質量分析方法（Mass Spectrometry)が知られている。例えば、飛行時間型質量分析法（Time of Flight Mass Spectroscopy : TOF-MS）は、イオン化した測定対象物質を高電圧電極間で所定距離飛行させて、その飛行時間により物質の質量を分析するものである。

このような質量分析法において測定対象物質を脱離、イオン化させる方法としては、例えば、ＭＡＬＤＩ法（マトリクス支援レーザ脱離イオン化法：matrix-assisted laser desorption ionization）や、ＳＡＬＤＩ法（表面支援レーザ脱離イオン化法：surface-assisted laser desorption ionization）がある。

ＭＡＬＤＩ法とは、測定対象物質をマトリクス（例えば、シナピン酸やグリセリン等）に混入した試料に光を照射し、照射された光のエネルギをマトリクスに吸収させ、マトリクスとともに測定対象物質を気化させ、さらにマトリクスと測定対象物質との間でプロトン移動を発生させることで測定対象物質をイオン化する方法である。

ＭＡＬＤＩ法は、測定対象物質に対しフラグメント化や変性等の化学的な影響の少ないソフトイオン化法として、難揮発性の物質や生体分子、合成高分子等の高分子量の物質の質量分析に広く用いられている。（特許文献１等）

しかしながら、測定対象物質が合成高分子等の場合は、ポリマー鎖の化学構造の違いによって溶媒に対する溶解性やポリマー鎖の極性等が大きく異なり、また、主鎖構造が同じであっても平均分子量や末端基の化学構造等の違いにより様々な特性が異なるため、測定対象物質の種類に応じてマトリクス剤の種類や結晶の調製方法を最適化する必要がある。

一方、ＳＡＬＤＩ法は、測定対象物質の脱離・イオン化を支援する機能を、質量分析用デバイスそのものに備えることによりソフトイオン化を行う方法である。例えば、特許文献２及び特許文献３では、表面にナノオーダの細孔構造を有するポーラスシリコン基板を用いた質量分析用デバイスにより、シリコンナノ構造とレーザ光との相互作用を利用してソフトイオン化を行っている。

また、特許文献４では、シリコン基板上に金属微粒子を分散させた質量分析用デバイスを用いており、レーザ光がデバイスに照射された際に金属微粒子表面に生じる表面プラズモンを利用し、ソフトイオン化を行っている。

これらのレーザ脱離イオン化方法を用いた質量分析法においては、特許文献５に記載されているように、レーザ光を測定対象物面内の二次元範囲に掃引させることで、測定対象物の二次元質量分析データを画像データとして取得することができる。

特開平９−３２０５１５号公報 米国特許第２００８／００７３５１２号明細書 米国特許第２００６／０１５７６４８号明細書 特開２００９−８１０５５号公報 特許第４６１４０００号明細書

上記のようにして取得される二次元質量分析データの画像データの空間分解能は、測定対象物質上のレーザ光ビームスポット径に依存する。すなわち、レーザ光のビームスポット径を小さくし、測定対象物質の脱離イオン化範囲を狭めることで、空間分解能は高まる。ここで、レーザ光のビームスポットを小さくするためには、大きな開口数（ＮＡ）でレーザ光を集光する必要があり、開口数を大きくするためには、径の大きな集光レンズを用いるか、焦点距離の短いレンズを使用する方法が考えられる。

しかしながら、従来の質量分析装置においては、レーザ光を測定対象物質の上方から照射および集光する必要があるため、開口数の大きなレンズを用いると、イオン化された物質が質量分析部に移動する行路上の障害となり、正常に質量分析を行うことができなくなってしまう恐れがあり、十分に分解能を向上させることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、分解能を向上させることが可能な質量分析装置を提供することを目的とするものである。

本発明の質量分析装置は、レーザ光に対し透明であり、測定対象物質が付着されるサンプルプレートと、
サンプルプレートが載置される、一部にレーザ光を透過する光透過部を備えた支持台と、
支持台の、サンプルプレートが載置される面と反対の面側に配置され、レーザ光を、支持台の光透過部を通過させ、サンプルプレートの裏面側から測定対象物質に照射する光照射部であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、測定対象物質にレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ光の集光時に生じる収差を補正する収差補正機構とを備えた光照射部と、
レーザ光の照射により、サンプルプレートの表面から脱離されイオン化された測定対象物質を検出する検出器とを有していることを特徴とする。

ここで「透明」とは、入射する光が透過率５０％以上であることをいうものとする。なお、透過率は７５％以上であることが好ましい。

本発明の質量分析装置においては、レーザ光をサンプルプレートの面内方向に二次元的に走査させる二次元走査機構を備えていることが好ましい。

また、支持台が、透過部が開口された導電部材からなる支持台本体と、開口にサンプルプレートが載置される面と面一となるように設けられた光透過性の導電膜とを備えてなるものであることが好ましい。

支持台に備えられている光透過性の導電膜は、透明な酸化物導電材料からなるものとすることができる。

また、支持台に備えられている光透過性の導電膜は、金属メッシュであってもよい。

サンプルプレートが、レーザ光に対し透明な基板および基板上に形成された、レーザ光が照射されることにより局在プラズモンを励起し得る金属微細構造とを有してなるものであることが好ましい。

サンプルプレートの表面にイオン化促進剤が固着されていることが好ましい。

二次元走査機構は、支持台に備えられた面方向駆動部から構成することができる。

また、二次元走査機構は、光照射部に備えられた、レーザ光をサンプルプレートの面内掃引するレーザ光掃引部から構成されていてもよい。

レーザ光の走査時にレーザ光のフォーカスを自動的に調整するオートフォーカスを備えていることが好ましい。

本発明の質量分析装置は、レーザ光を透過するサンプルプレートを用い、サンプルプレートを支持する支持台の一部をレーザ光が透過するようにして、レーザ光を測定対象物質の上方からではなく、サンプルプレートの裏面側から照射するように構成されている。そのため、測定対象物質の飛翔光路を集光レンズが遮ることはなく、レーザ光を集光するための集光レンズの大きさが制限されないので開口数の大きいレンズを用いることができる。また、収差補正機構を備えることにより、レーザ光集光スポットを回折限界近くまで絞りこむことが可能となる。開口数の大きいレンズを用いて回折限界近くまで集光スポットを絞り込むことができるので、二次元画像データ取得時における分解能を十分に向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る質量分析装置の概略構成図 サンプルプレート（質量分析用デバイス）の具体的構成を示す断面図 支持台の上面図および断面図 支持台の他の例の上面図 本発明の第２の実施形態に係る質量分析装置の概略構成図 サンプルプレート上に表面修飾が施された例を示す模式図 測定対象物質が脱離される様子を示す模式図 質量分析用デバイスの他の例を示す斜視図 質量分析用デバイスの他の例を示す上面図 質量分析用デバイスの他の例を示す斜視図

以下、図面を参照して本発明の実施形態の質量分析装置について説明する。

図１は、本発明の質量分析装置の一実施形態の概略構成を示す図である。本実施形態の質量分析装置１は、サンプルプレートから脱離した物質を所定距離飛行させてその飛行時間により物質の質量を分析する飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ）である。

図１に示すように、質量分析装置１は、真空チャンバ２と、真空チャンバ２内に配置され、測定対象物質Ｍを含む試料を付着させる（または載置する）サンプルプレートである質量分析用デバイス（以下「デバイス」と称す。）３と、デバイス３を支持する支持台４と、デバイス３に付着した試料にレーザ光からなる測定光Ｌを照射して、試料中の測定対象物質Ｍをデバイス３から脱離させる光照射部５と、脱離した測定対象物質Ｍを所定方向に飛翔させる飛翔方向制御部６と、脱離した測定対象物質Ｍを検出して測定対象物質Ｍの質量を分析する質量分析部７とを有する。

真空チャンバ２は、内部を真空にすることができるチャンバであり、図示しない吸引ポンプ等が接続されている。真空チャンバ２は、密閉された状態で吸引ポンプにより内部の空気を吸引することで内部を真空にされ、その真空状態を保つものである。

また、真空チャンバ２には、光照射部５から射出された測定光Ｌを真空チャンバ２の内部に入射させるための窓１８が設けられている。窓１８は、外部と真空チャンバ２内の気圧差に対応することができる程度に耐圧性が高く、かつ、測定光Ｌを高い透過率で透過する材料で形成されている。

デバイス３は、測定光Ｌが高い透過率で透過する透明な基板と、その基板上に形成された、測定光Ｌが照射されると局在プラズモンを励起する金属微細構造層が形成されてなる板状部材であり、真空チャンバ２内に配置されている。なお、このデバイス３の金属微細構造層上に、測定対象物質Ｍを含む試料が載置される。

図２は、デバイス３の具体例の一部を示す断面図である。
図２に示すように、デバイス３は、透明な基板２０上に透明な微細凹凸構造２１が形成されており、さらにその微細凹凸構造上に金属微細構造層２２を有する。

基板２０は測定光Ｌに対し高い透過率を有する誘電体からなり、例えばガラスから形成されている。基板２０上に形成されている微細凹凸構造２１は、透明な誘電体から構成され、例えば、基板２０上にアルミニウム（Ａｌ）を製膜した後に、その基板を水熱反応させた時に生成されるベーマイト（ＡｌＯ・ＯＨ）により構成することができる。

水熱反応により生成されたベーマイトから構成される微細凹凸構造２１は、個々の凸部が数１０ｎｍ程度の稜を有する微細な三角錐形状となっているため、可視〜近赤外の測定光に対しては屈折率が徐々に変化している構造と等価となる。従って、微細凹凸構造２１における測定光Ｌの透過率は高い。

金属微細構造層２２を形成する材料としては、局在プラズモンを発生させる種々の金属を使用でき、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、およびこれらの合金等が挙げられる。また、電場増強効果をより高くすることができるため、金属微細構造層２２はＡｕ、Ａｇ等を用いて形成することがより好ましい。
金属微細構造層２２は、微細凹凸構造２１上に金属を蒸着することにより形成することができる。

金属微細構造層２２の凹凸は、測定光Ｌの波長よりも小さいピッチおよび／または深さを有していれば、測定光Ｌの照射により局在プラズモンを誘起することができる。凹凸のピッチおよび深さが２００ｎｍ以下、さらには、数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度であることがより好ましい。
上記のようなデバイス３に対し、測定光が照射されると、金属微細構造層の表面に局在プラズモンが誘起され、増強電場が形成される。

なお、本実施形態においては、サンプルプレートとして、金属微細構造層を備えた質量分析用デバイスを用いているが、本発明の質量分析装置においては、裏面側からレーザ光を照射可能なものであればよく、ガラス板のみから構成されたサンプルプレートを用いてもよい。金属微細構造層を備えない場合にはレーザ光の照射による電場増強の効果がないため、測定対象物質の脱離、イオン化のためのレーザ光パワーを多くする必要がある。従って、金属微細構造層を備えたデバイスを用いることがより好ましい。

支持台４は、試料が載置されている面とは反対側の面からデバイス３を支持し、デバイス３を所定位置に固定するものである。支持台４の中央部には、測定光Ｌを透過させる光透過部としての開口が設けられている。また、支持台４はデバイス面内ＸＹ方向に移動可能な機構を有している。このＸＹ方向に移動可能な面方向駆動部（所謂ＸＹステージ）が、測定光をデバイスの面内方向に二次元的に走査させる二次元走査機構を構成する。
さらに支持台４はＺ方向に位置調整が可能とされていてもよい。

光照射部２３は、レーザ光源９と、レーザ光源９から拡散し、射出されたレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１０と、ミラー１１と、コリメータレンズ１０で平行光とされ、ミラー１１で反射されたレーザ光をデバイス３上の試料に集光する集光レンズ１２とを有する。

レーザ光源９は、所定波長のレーザ光を射出する光源である。ここで、レーザ光源としては、パルスレーザを用いることが好ましい。

集光レンズ１２には、レーザ光を回折限界まで集光するために、収差の小さな対物レンズや非球面レンズを使用することが好ましい。なお、二次元質量スペクトルデータ取得（イメージング）の際の分解能を十分なものとするためには、開口数（ＮＡ）の大きな集光レンズを用いることが望ましい。具体的には、単一細胞（１０μｍ程度）のイメージングを考えた場合、1μｍ程度の分解能が必要であり、想定される励起光の最短波長３００ｎｍにおいて、この分解能を得ようとするとＮＡ０．３５以上の集光レンズが必要である。また可視光を想定した場合、ＮＡ０．６以上の集光レンズを用いるのが好ましい。

また、光照射部２３には、レーザ光がデバイス３の透明な基板２０や窓１８を通過する際に生じる収差を補正するための収差補正機構が集光レンズ１２よりも上流側に備えられている。例えば、ミラー１１として、収差補正機能を有する、反射光の波面を制御可能なメンブレンミラーを用いることによって、集光レーザ光の収差補正を行うことができる。この場合、ミラーが収差補正機構を構成するものである。その他、集光レンズの上流側に１対の収差補正レンズを収差補正機構として備えてもよい。

従来の装置においては、真空チャンバ内に集光レンズが配置され、デバイスの表面側からレーザ光が照射されていたため、あるいは、集光レンズが真空チャンバ外に配置される構成である場合には焦点距離が比較的長かったため収差を考慮する必要性が無かった。しかしながら、本実施形態の質量分析装置では、光源を真空チャンバ外部に配置して、レーザ光を真空チャンバに設けられた透過窓１８を透過させ、さらにデバイス３を透過させる構成であり、かつＮＡの大きな集光レンズを用いるので、収差を補正する機構を備える必要がある。

飛翔方向制御部６は、支持台４と質量分析部７との間に配置された引き出しグリッド１４と、引き出しグリッド１４とデバイス３との間に電圧を印加する可変電圧源１３と、グリッド１４よりも質量分析部７側における測定対象物質Ｍの飛翔経路を囲むカバー１５とを有し、デバイス３から脱離された測定対象物質Ｍに一定の力を作用させ、質量分析部７に向けて飛翔させる。

引き出しグリッド１４は、デバイス３と質量分析部７との間に、デバイス３の表面に対向して配置された中空の電極である。

可変電圧源１３は、支持台４と引き出しグリッド１４とに接続しており、この可変電圧源１３により、支持台４と引き出しグリッド１４との間を所定電位差とし、所定の電界を形成する。

カバー１５は中空の筒型部材である。カバー１５は、引き出しグリッド１４と質量分析部７との間に、筒型の軸が測定対象物質Ｍの飛翔経路と平行に、かつ、測定対象物質Ｍの飛翔経路を囲うように配置されている。また、カバー１５は、引き出しグリッド１４側の端部が引き出しグリッド１４に接近し、質量分析部７側の端部が、後述する質量分析部７の検出器２４に接している。

飛翔方向制御部６は、可変電圧源１３により電圧を印加することでデバイス３と引き出しグリッド１４との間に電界を形成し、デバイス３から脱離された測定対象物質Ｍに一定の力を作用させるよう制御する。電界により一定の力が加えられた測定対象物質Ｍは、デバイス３から引き出しグリッド１４側に所定加速度で飛翔される。さらに、飛翔している測定対象物質Ｍは、カバー１５の中空部分を通過し、質量分析部７まで飛翔する。

上記の通り、ＴＯＦ−ＭＳにおいては、支持台４を電極として用いるため、支持台４は基本的には導電性を有する材料で構成される。支持台４の全体が導電性である必要はないが、少なくもデバイス３を載置する面は導電性材料で構成する。なお、測定光Ｌを透過させる透過部は、開口であってもよいし、透過性材料で構成されていてもよい。

図３に、支持台４の一例の上面図および断面図を示す。図３に示すように、支持台４の中央部には、測定光Ｌが透過するための開口４ａが設けられている。開口４ａがあいていてもその周囲が電極として機能するため、支持台４とグリッド電極間に電圧を印加して、測定対象物質Ｍを飛翔させることはできるが、図３に示すように、この開口４ａの上部に透明電極材料からなる膜４１を備えていることが好ましい。膜４１は、支持台４の開口４aに、デバイス３が載置される面と面一となるように設けられていることが好ましい。膜は開口４ａ内に充填された透明部材（図示していない。）上に形成すればよい。例えば、厚み１ｍｍ程度のガラスからなる透明な基体を開口４ａ内に配置し、その基体上にスパッタリングによりＩＴＯ（酸化スズ添加酸化インジウム）を１００ｎｍ程度成膜して形成することができる。この透明電極材料からなる膜４１を備えることにより、測定対象物質の飛翔時における加速を十分なものとすることができる。

図４に支持台の別の例の上面図を示す。図４に示すデバイス支持台４’は、開口４ａに透明電極膜４１に代えて金属のメッシュ４２を備えている。金属のメッシュ４２の網目の大きさは１０μｍ〜数十μｍ程度とする。測定光Ｌは集光させておりその集光スポットは１μｍ程度であり、測定光Ｌは網目を通過させてデバイス表面に照射することができる。測定光Ｌは金属のメッシュの金属線にかかると反射されてデバイス表面に照射される光量が減衰してしまうため、このようなデバイス支持台４’を用いる場合には、光照射部２３からの測定光Ｌを網目を通過してデバイス表面に照射した状態で測定を行うようにデバイス支持台のＸ−Ｙ方向への移動等により測定光の照射位置を制御すればよい。例えば、測定光Ｌの戻り光を検出することにより、制御可能である。

質量分析部７は、測定光Ｌが照射されてデバイス３の表面から脱離され、引き出しグリッド１４を通過して飛翔してきた測定対象物質Ｍを検出する検出器２４と、検出器２４による検出値を増幅させるアンプ１６と、アンプ１６からの出力信号を処理するデータ処理部１７とを有する。なお、検出器２４は、真空チャンバ２の内部に配置され、アンプ１６及びデータ処理部１７は、真空チャンバ２の外に配置されている。

また、検出器２４としては、例えば、マルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）を用いることができる。質量分析部７は、検出器２４で検出した検出結果に基づいて、データ処理部１７で測定対象物質Ｍのマススペクトルを検出し、測定対象物質Ｍの質量（質量の分布）を検出する。

質量分析装置１は、基本的に以上のように構成されている。

以下、質量分析装置１を用いた質量分析方法について説明する。
まず、デバイス３の表面に測定対象物質Ｍ（もしくは測定対象物質を含む試料）を載置し、デバイス３を支持台４に載置する。

次に、可変電圧源１３からデバイス３と引き出しグリッド１４間に所定電圧を印加し、所定のスタート信号により光照射部２３から測定光Ｌを射出させ、デバイス３の裏面側から測定対象物質Ｍに測定光Ｌを照射する。

デバイス３の金属微細構造層２２に測定光Ｌが照射されることで、デバイス３の表面では、プラズモンに起因する増強電場が形成され、その増強電場により増強された測定光Ｌの光エネルギにより測定領域から測定対象物質Ｍが脱離する。

脱離した測定対象物質Ｍは、デバイス３と引き出しグリッド１４との間に形成された電界により引き出しグリッド１４の方向に引き出されて加速し、引き出しグリッド１４の中央の孔を通ってカバー１５の中空部を検出器２４の方向に略直進して飛行し、検出器２４に到達して検出される。

脱離後の測定対象物質Ｍの飛行速度は物質の質量に依存し、質量が小さいほど速いため、質量の小さいものから順に検出器２４に到達する。

検出器２４からの出力信号は、アンプ１６により所定のレベルに増幅され、その後データ処理部１７に入力される。

データ処理部１７には、上記スタート信号と同期して同期信号が入力されており、この同期信号とアンプ１６からの出力信号とに基づいて検出した物質の飛行時間をそれぞれ算出する。
また、データ処理部１７は、飛行時間から質量を導出してマススペクトル（質量スペクトル）を算出する。さらに、データ処理部１７は、算出したマススペクトルから測定対象物質の質量を検出し、また、測定対象物質を同定する。データ処理部１７は、例えば質量分析にためのプログラムが組み込まれたパーソナルコンピュータ等により構成される。

測定対象物質Ｍの所定位置の質量検出が終了次第、支持台４がデバイス面内方向に移動し、異なる箇所に測定光を照射し、再度上記質量検出を繰り返すことで、測定対象物質Ｍの二次元質量スペクトルデータを取得することができる。

本実施形態の質量分析装置によれば、レーザ光（測定光）を透過するサンプルプレートを用い、サンプルプレートの裏面側から照射するように構成されているので、測定対象物質の飛翔光路を集光レンズが遮ることがない。集光レンズの配置の自由度が高く、レーザ光を集光するための集光レンズの大きさも制限されないので開口数の大きいレンズを用いることができ、収差補正機構を備えていることから、レーザ光集光スポットを回折限界近くまで絞りこむことが可能である。そのため、高解像度の質量分析画像データを取得することができる。

なお、上記実施形態のように、サンプルプレートとして表面に微細凹凸構造層を有するデバイスを用いた場合、その表面に載置される試料の面も凸凹を有するため、レーザ光を二次元走査して二次元の質量スペクトルデータを取得する際には、レーザ光のスポット位置が常に試料面に集光するために、オートフォーカスを備えていることが好ましい。

オートフォーカスは、具体的には分割フォトディテクタおよび結像光学系を備えた焦点位置検出機構と集光レンズまたはサンプルプレートの光軸方向（ｚ方向）位置調整機構とから構成することができる。レーザ光の試料への照射時に、微細凹凸構造層からのレーザ光の微弱な反射光を分割フォトディテクタ上に結像し、レーザ光のデフォーカスを分割フォトディテクタの信号強度比として検出し、その強度比の差（デフォーカス分）をレンズまたはサンプルプレートの光軸方向位置調整機構にフィードバックすることで、オートフォーカスを行うことができる。

次に、本発明の質量分析装置の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の質量分析装置の第２の実施形態の概略構成を示す図である。図３に示す質量分析装置２５は、光照射部２３’の構成が第１の実施形態のものと異なる。光照射部２３’以外の構成については質量分析装置１と同様であるので、同一の部材および構成には同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態において光照射部２３は、コリメートレンズにより平行光化されたレーザ光を集光レンズ１２側に反射するミラーとして、カルバノミラー対１１’を備えている。カルバノミラー対１１’を用いて、集光レンズ１２に対し角度を設けてレーザ光を照射することで、デバイス３の表面におけるレーザ集光点を、表面に沿って二次元状に掃引させることができる。すなわち、本質量分析装置２５においては、ガルバノミラー対１１’が二次元走査機構であるレーザ光掃引部を構成している。

ガルバノミラー対１１’を用いれば、質量分析装置１のように支持台４をＸ−Ｙ方向に移動させて測定対象物質Ｍ上のレーザ光集光点を移動させるよりも、より位置精度高く、高速に集光点を操作することが可能となり、高解像度かつ高速に二次元質量スペクトルデータを取得することができる。

また、本実施形態においては、ガルバノミラー対１１’と集光レンズ１２との間に１対のレンズからなる収差補正レンズ１９が備えられており、光照射部２３において生じる収差を補正し、精度よくデバイス表面にレーザ光を照射することができる。

本第２の実施形態の質量分析装置においても、第１の実施形態の場合と同様に、高解像度の質量分析画像データを取得することができる。

上記各実施形態の質量分析装置において、サンプルプレート３の表面には、イオン化促進剤が固着されていることが好ましい。イオン化促進剤としては、例えばシナピン酸、フェルラ酸、ゲンチジン酸、ジスラノール等が挙げられる。
イオン化促進剤を備えることにより、より定パワーのレーザ光（測定光）により、試料の脱離、イオン化が可能となり、測定対象物質の変性や損傷を抑制することができる。

さらに、サンプルプレートである質量分析用デバイス３の表面に、測定対象物質Ｍを捕捉可能な表面修飾Ｒが施されていてもよい。例えば、測定対象物質が抗原であるような場合は、その抗原と特異的に結合可能な抗体により表面を修飾しておくことにより、試料接触面上の測定対象物質Ｍの濃度を高められるので、感度を向上させることができる。

図６Ａは、質量分析用デバイス３の表面に表面修飾Ｒが施された様子を示す断面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示すデバイス３から測定対象物質が脱離した状態を示す断面図である。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは視認しやすくするために表面修飾Ｒおよび表面修飾Ｒの構成要素は拡大して示してある。

図６Ａに示すように、表面修飾Ｒは、デバイス３の表面に、デバイス３の表面と結合する第１のリンカー機能部Ａと、測定対象物質Ｍと結合する第２のリンカー機能部Ｃと、第１のリンカー機能部Ａと第２のリンカー機能部Ｃとの間に介在し、測定光の照射により生じる電場で分解する分解機能部Ｂとを有するものである。図示例では、測定対象物質Ｍは、表面修飾Ｒを介して、質量分析用デバイスの測定領域の近傍に配置されている。
なお、表面修飾Ｒは、第１のリンカー機能部Ａと、分解機能部Ｂと、第２のリンカー機能部Ｃとを全て備えた一つの物質であってもよいし、それぞれが異なる物質からなっていてもよい。また、第１のリンカー機能部Ａと分解機能部Ｂ、あるいは、分解機能部Ｂと第２のリンカー機能部Ｃが一つの物質であってもよい。

ここで、デバイス３に測定光Ｌが照射されると、金属微細構造層２２の表面で局在プラズモンが発生し、測定領域の表面において増強電場が発生する。また、測定光の光エネルギーは、測定領域の表面に発生した増強電場により、表面付近において高められる。

この高められたエネルギーにより表面修飾Ｒの分解機能部Ｂが分解され、図６Ｂに示すように、測定対象物質Ｍに第２のリンカー機能部Ｃが結合されたものが、測定領域表面から脱離される。

このように表面修飾を用いることで、測定対象物質を微細構造体の表面から脱離させることができる。また、表面修飾Ｒを介して測定対象物質Ｍはデバイス３と結合しているので、測定対象物質Ｍは、測定領域のデバイス３の表面から離れて存在させることができる。

ここで、デバイス３の表面において得られる電場増強効果は、局在プラズモンにより生じる近接場光による電場増強効果であるので、表面からの距離に対して指数関数的に減少していくものである。従って、図６Ａに示すように、測定対象物質Ｍが表面から比較的離れて存在させることにより、測定対象物質Ｍに照射される測定光の光エネルギーは、電場増強による影響の少ないものとすることができる。すなわち、増強された光エネルギーにより測定対象物質Ｍがダメージを受けることを抑制でき、高精度な質量分析が可能となる。
なお、この表面修飾Ｒの分解機能部Ｂは前述のイオン化促進剤に相当する。

上記実施形態においては、透明基板２０上にベーマイトからなる透明な微細凹凸構造２１およびその上に金属微細構造層２２を備えてなる質量分析用デバイス３をサンプルプレートとして用いるものとしたが、このような測定光の照射により表面に局在プラズモンを誘起し得る金属微細構造層の構成は上記実施形態に限るものではない。以下、他の形態の質量分析用デバイス（サンプルプレート）について説明する。

図７は、質量分析用デバイスの他の一例の概略構成を示す斜視図である。
図７に示す質量分析用デバイス８０は、透明基板８２と透明基板８２上に配置された多数の金属微粒子８４とで構成されている。基板８２は、上記実施形態の場合と同様のものを用いればよく、測定光に対して高い透過率を有し、金属微粒子を電気的に絶縁して支持可能な材料からなる。例えば、石英やサファイヤ等が挙げられる。

多数の金属微粒子８４は局在プラズモンを誘起し得る大きさの微粒子であり、基板８２の一面上に分散された状態で固定されている。

また、金属微粒子８４は、上述した金属微細凹凸構造層を構成する各種金属で形成することができる。また、金属微粒子８４の形状は特に限定されず、例えば、球、ディスク型、直方体型でもよい。金属微粒子８４の最大長（球、ディスク型であればその直径、直方体型であればその長辺の長さ）が測定光となるレーザ光の波長よりも小さければ、レーザ光の照射により局在プラズモンが誘起される。

このような構成の質量分析用デバイス８０であっても、金属微粒子が配置された検出面に測定光が照射されることで、増強電場を発生させることができる。

図８は、質量分析用デバイスの他の一例の概略構成を示す上面図である。図８に示す質量分析用デバイス９０は、透明基板９２と基板９２上に配置された多数の金属ナノロッド９４とで構成されている。透明基板９２は、上記の例と同様である。

金属ナノロッド９４は、局在プラズモンを誘起し得る大きさであり、短軸長さと長軸長さが異なる棒状の金属ナノ粒子であり、基板９２の一面に、分散された状態で固定されている。金属ナノロッド９４は、その短軸長さが３ｎｍ〜５０ｎｍ程度、長軸長さが２５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であり、長軸長さが測定光となるレーザ光の波長よりも小さければ、レーザ光の照射により局在プラズモンが誘起される。
金属ナノロッド９４は、上述した金属微粒子と同様の金属で作製することができる。なお、金属ナノロッドの詳細な構成については、例えば、特開２００７−１３９６１２号公報に記載されている。

このような構成の質量分析用デバイス９０を用いても金属ナノロッドが配置された検出面に測定光が照射されることで、増強電場を発生させることができる。

さらに、図９は、質量分析用デバイスの他の一例の概略構成を示す斜視図である。
図９に示す質量分析用デバイス９５は、透明基板９６と基板９６上に配置された多数の金属細線９８とで構成されている。透明基板９６は、上述した基板と同様の構成である。

金属細線９８は、局在プラズモンを誘起し得る線幅の線状部材であり、基板９２の一面に格子状に配置されている。金属細線９８は、上述した金属微細構造層や金属微粒子と同様の金属で作製することができる。また、金属細線９８の作製方法は、特に限定されず、蒸着、メッキ等、金属配線を作製する種々の方法で作製することができる。

ここで、金属細線９８の線幅は、例えば、５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、金属細線９８の配置パターンは、特に限定されない。例えば、複数の金属細線を交差させずに、互いに平行に配置してもよい。また、金属細線の形状も直線に限定されず、曲線であってもよい。

このような構成の質量分析用デバイス９５であっても、金属細線９８が配置された検出面に測定光が照射されることで、局在プラズモンに起因する増強電場を発生させることができる。

なお、質量分析用デバイスとしては、上述した構成に限るものではなく、ぞれぞれの局在プラズモンを誘起し得る構造を組み合わせた構成としてもよい。

以上、本発明に係る質量分析装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。

例えば、本実施形態では、質量分析装置がＴＯＦ−ＭＳである場合を例に説明したが、イオン化された試料イオンの質量分析を行う装置としては、ＴＯＦ型のものに限らず、ＩＴ（Ion Trap；イオントラップ型）、ＦＴ（ＩＣＲ）（Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance；フーリエ変換型）、また複数の質量分析手法を組み合わせた手法であるＱｑＴＯＦ（Quadrupole-TOF；四重極-TOF型）、ＴＯＦ−ＴＯＦ（TOF連結型）などの質量分析装置を用いることができる。

１、２５ 質量分析装置
３ サンプルプレート（質量分析用デバイス）
４ 支持台
５ 光照射部
６ 飛翔方向制御部
７ 質量分析部
１０ コリメートレンズ
１１ 収差補正機能付きミラー
１２ 集光レンズ
１７ データ処理部
１９ 収差補正レンズ
２３ 光照射部
２４ 検出器
Ｌ レーザ光（測定光）
Ｍ 測定対象物質

Claims (10)

1. レーザ光に対し透明であり、測定対象物質が付着されるサンプルプレートと、
   該サンプルプレートが載置される、一部に前記レーザ光を透過する光透過部を備えた支持台と、
   前記支持台の、前記サンプルプレートが載置される面と反対の面側に配置され、前記レーザ光を、前記支持台の前記光透過部を通過させ、前記サンプルプレートの裏面側から前記測定対象物質に照射する光照射部であって、前記レーザ光を出力するレーザ光源と、前記測定対象物質に前記レーザ光を集光する集光レンズと、該レーザ光の集光時に生じる収差を補正する収差補正機構とを備えた光照射部と、
   前記レーザ光の照射により、前記サンプルプレートの表面から脱離されイオン化された前記測定対象物質を検出する検出器とを有していることを特徴とする質量分析装置。
2. 前記レーザ光を前記サンプルプレートの面内方向に二次元的に走査させる二次元走査機構を備えていることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
3. 前記支持台が、前記光透過部が開口された導電部材からなる支持台本体と、該開口に前記サンプルプレートが載置される面と面一となるように設けられた光透過性の導電膜とを備えてなるものであることを特徴とする請求項１または２記載の質量分析装置。
4. 前記光透過性の導電膜が、透明な酸化物導電材料からなるものであることを特徴とする請求項３記載の質量分析装置。
5. 前記光透過性の導電膜が、金属メッシュであることを特徴とする請求項３記載の質量分析装置。
6. 前記サンプルプレートが、前記レーザ光に対し透明な基板および該基板上に形成された、該レーザ光が照射されることにより局在プラズモンを励起し得る金属微細構造とを有してなるものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の質量分析装置。
7. 前記サンプルプレートの表面にイオン化促進剤が固着されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の質量分析装置。
8. 前記二次元走査機構が、前記支持台に備えられた面方向駆動部であることを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。
9. 前記二次元走査機構が、前記光照射部に備えられた前記レーザ光を前記サンプルプレートの面内掃引するレーザ光掃引部であることを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。
10. 前記レーザ光の走査時にレーザ光のフォーカスを自動的に調整するオートフォーカスを備えていることを特徴とする請求項２、８および９のいずれか１項記載の質量分析装置。

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