JP5942730B2

JP5942730B2 - 真空チャンバ内におけるｘｙステージの支持構造およびレーザ脱離イオン化装置

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Publication number: JP5942730B2
Application number: JP2012206750A
Authority: JP
Inventors: 匡智古田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: JP2014063585A

Description

本発明は、真空チャンバ内に配置されるＸＹステージの支持構造と、その支持構造を利用したレーザ脱離イオン化装置に関する。

物品を搭載し、水平面上を任意の方向に移動して位置決めする装置として、ＸＹステージが多用されている。ＸＹステージは、設置面に固定されるベース上に、互いに直交する方向に伸びる２つのリニアガイドを重ねて配置し、上側のリニアガイドに移動テーブルを配置した構造などが一般的に採用されている。

このようなＸＹステージは、ＭＡＬＤＩ法をはじめとするＬＤＩ法に基づくイオン化装置の試料の位置決め機構として採用されている。ここで、ＬＤＩ（ＬａｓｅｒＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：レーザ脱離イオン化）法は、試料にレーザ光を照射し、レーザ光を吸収した物質の内部で電荷の移動を促進させて試料成分のイオン化を行う方法である。また、ＭＡＬＤＩ（ＭａｔｒｉｘＡｓｓｉｓｔｅｄＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：マトリックス支援レーザ脱離イオン化）法は、レーザ脱離イオン化法のなかでも広く用いられる方法であって、レーザ光を吸収しにくい試料やタンパク質など、レーザ光で損傷を受けやすい試料を分析するために、レーザ光を吸収しやすく、かつ、イオン化しやすい物質をマトリックスとして試料にあらかじめ混合しておき、その混合試料にレーザ光を照射することで試料成分をイオン化する方法である（例えば特許文献１参照）。

このようなＬＤＩないしはＭＡＬＤＩ法に基づくレーザ脱離イオン化装置は、例えばＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ；飛行時間）型等の分析部と組み合わされて質量分析装置を構築する。その構成と動作の一例を、ＭＡＬＤＩ法を例にとって説明すると、試料は、サンプルプレートと称される金属板に載置された状態で、真空チャンバ内でパルスレーザ光が照射される。このサンプルプレートには、例えば複数のウェルと称される囲み部が形成され、その各ウェルに試料とマトリックスの混合物があらかじめ入れられて結晶化される。このような複数のウェル内にそれぞれ試料が形成されたサンプルプレートは真空チャンバ内のＸＹステージ上に載置され、各ウェル内の試料がレーザ照射位置に順次移動するようにＸＹステージが駆動制御される。また、各ウェル内の試料に対するレーザ照射位置も複数点にわたって変更されるようにＸＹステージが駆動制御される（例えば特許文献２参照）。

レーザ光の照射により生成されたイオンは、レーザ照射位置の直上に配置された電極が作る電場により分析部へと引き出される。この種のイオン化装置の具体的な構造例を図５に要部縦断面図で示し、図６には図５の真空チャンバ２０内におけるＸＹステージ１０の平面図を示す。

ＸＹステージ１０は、ベース１１上にＹ方向リニアガイド１２を配置するとともに、そのＹ方向リニアガイド１２上にＸ方向リニアガイド１３を配置し、Ｙ方向リニアガイド１２に沿ってＸ方向リニアガイド１３が移動するように構成する。さらに、そのＸ方向リニアガイド１３の上に移動ステージ１４を配置し、Ｘ方向リニアガイド１３に沿って移動ステージ１４が移動するように構成されている。以上のＸＹステージ１０は、そのベース１１が真空チャンバ２０の底板２１に対して固定用部材１５によって固定されている。前記したサンプルプレートＳは移動ステージ１４の上に載置される。

真空チャンバ２０には、その側壁２２から内フランジ状に突出する保持部材２３が設けられており、この保持部材２３に環状の引出し電極３１が固定されている。この引出し電極３１の直下に、レーザ光の照射位置が設定されている。すなわち、引出し電極３１の直下で、かつ、この引出し電極３１の中心線上に位置するサンプルプレートＳ上の位置にレーザ光が照射され、その位置における試料およびマトリックスの成分がイオン化される。なお、図５においては図面の煩雑化を避けるため、レーザ光源並びに照射光学系については図示を省略した。

レーザ光の照射により発生したイオンは、引出し電極３１によって引き寄せられ、その上方の分析部、例えばＴＯＦ型の分析部の場合は、チャンバ内に設けられたイオンの飛行空間へと導かれる。このＴＯＦ型の分析部においては、引出し電極３１に続いてイオン集束電極３２が設けられ、イオンはこれらの電極によって引き出されて収束され、ｍ／ｚに応じた時間だけ飛行した後に検出器に到達する。その到達時間からイオンの種類を知ることができる。

特開２０１０−２０５４６０号公報特開２０１１−１７４８８７号公報

ところで、以上の図５に示すようなレーザ脱離イオン化装置をＴＯＦ型の質量分析計と組み合わせた、例えばＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析装置を構築する場合、サンプルプレートＳと引出し電極３１間のＺ方向への距離の変化が、イオン化した試料を加速する部分であるため、装置の他の部分の寸法変化に比して測定結果に大きく影響を及ぼす。装置の校正後の測定結果の変化を１０ｐｐｍ以内に抑えるためには、以下の２つの問題がある。

その一つは、装置の周囲温度の変化であり、他の一つは、装置が置かれている環境での気圧の変化である。

図５の構造において、周囲温度が変化すると真空チャンバ２０の側壁２２の寸法変化が生じ、底板２１と保持部材２３とのＺ方向距離が変化する。サンプルプレートＳを搭載するＸＹステージ１０は、そのベース１１が底板２１に固定されている一方で、引出し電極３１は保持部材２３に固定されているから、側壁２２の寸法変化はサンプルプレートＳと引出し電極３１間のＺ方向距離の変化に繋がる。また、周囲温度の変化が真空チャンバ２０を介してＸＹステージ１０に伝わることにより、ＸＹステージ１０自体の温度変化も生じる。

実機モデルによる調査によれば、周囲温度１℃の変化で、サンプルプレートＳと引出し電極３１間のＺ方向距離は５．５μｍ変化し、測定結果に９２ｐｐｍの変化を与える。１０ｐｐｍ以下の測定精度を求める場合には、この変化は許容できないレベルである。逆に、測定精度を１０ｐｐｍ以下とする場合の側壁における温度変化の許容範囲は約±０．１℃となるが、この温度範囲内での室温制御は実現困難である。

また、図５の構成において、真空チャンバ２０が置かれている環境での気圧が変化すると、ＸＹステージ１０のベース１１が真空チャンバ２０の底板２１に固定されているため、気圧変化による真空チャンバ２０の寸法変化がＸＹステージ１０のＺ方向位置の変化、ひいてはサンプルプレートＳと引出し電極３１間の距離の変化となる。ただし、温度変化に比して気圧変化の影響は少ない。

すなわち、実機モデルによる調査によれば、１／１００気圧の変化で、サンプルプレートＳと引出し電極３１間のＺ方向距離は０．２５μｍ変化し、測定結果に約４ｐｐｍの変化を与える。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、真空チャンバ内にＸＹステージを配置して、真空チャンバ内の保持部材に保持された特定の部材に対し、鉛直方向に所定の距離を隔ててＸＹステージを動作させる構造において、周囲温度や気圧の変化があっても、ＸＹステージと特定の部材との間の距離の変化を可及的に減少させることのできる真空チャンバ内におけるＸＹステージの支持構造と、その支持構造を用いて、周囲温度や気圧が変化しても、サンプルプレートと引出し電極間における距離の変化が少なく、ＴＯＦ型をはじめとする質量分析計との組み合わせにより高精度の測定が可能なレーザ脱離イオン化装置を提供することをその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の真空チャンバ内におけるＸＹステージの支持構造は、真空チャンバ内で、ベース上を２軸方向に移動する移動ステージを有してなるＸＹステージを支持する構造であって、上記真空チャンバの側壁から真空チャンバの内側に突出するように設けられた保持部材に特定部材が保持され、上記ＸＹステージの移動ステージは、上記特定部材に対して鉛直方向に所定の距離を隔てた状態で水平方向に移動して位置決めされるように構成されているとともに、上記ＸＹステージのベースが、上記真空チャンバの底板および側壁に対して所定の空隙を介在させた状態で、上記保持部材に対して支持部材を介して支持されていることによって特徴づけられる（請求項１）。

また、本発明のレーザ脱離イオン化装置は、真空チャンバ内に、ベース上を２軸方向に移動する移動ステージを有してなるＸＹステージが配置され、その移動ステージ上に載置された試料に対してレーザ光を照射することにより、その試料に含まれる成分をイオン化し、そのイオンを、試料に対するレーザ照射位置の直上に設けられた電極が作る電場により所用方向に引き出すとともに、上記ＸＹステージの駆動により上記移動ステージ上の試料に対するレーザ照射位置を順次変化させるように構成されたレーザ脱離イオン化装置において、上記電極が上記真空チャンバの側壁に内側に突出するように設けられた保持部材により保持されているとともに、上記ＸＹステージのベースが、上記真空チャンバ内の底板および側壁に対して所定の空隙を介在させた状態で、上記保持部材に対して支持部材を介して支持されていることによって特徴づけられる（請求項３）。

ここで、本発明の真空チャンバ内におけるＸＹステージの支持構造、および、レーザ脱離イオン化装置においては、ＸＹステージを保持部材に支持するための支持部材を、低線膨張係数を有する材料によって形成する構成（請求項２または４）を好適に採用することができる。

本発明は、真空チャンバの本来の機能を利用して、比較的簡単な構造により、周囲温度がＸＹステージに伝わる熱に対する熱抵抗を大きくし、かつ、周囲温度や気圧の変化による真空チャンバの側壁等の寸法変化による影響が、ＸＹステージと特定部材間の距離に影響を与えにくい構造を採用することで、課題を解決するものである。

すなわち、本発明においては、ＸＹステージを真空チャンバの底板や側壁に支持するのではなく、真空チャンバの側壁から真空チャンバの内部に突出するようにして特定部材（引出し電極）を保持する保持部材に対して支持部材を介して支持し、真空チャンバの底板および側壁に対して空隙を介在させる。この空隙は、真空チャンバを真空引きした状態では真空断熱の空隙として機能し、周囲温度がＸＹステージに伝わることは殆どない。

また、真空チャンバ内で特定部材（引出し電極）を保持する保持部材に対して、支持部材を介してＸＹステージを支持することにより、周囲温度の変化による真空チャンバの側壁の寸法変化や、気圧変化による真空チャンバの寸法変化があっても、ＸＹステージはチャンバ内で特定部材と実質的かつ一体的に変位することになり、これら両者間の距離に殆ど影響を与えることがない。

また、請求項２または４に係る発明のように、保持部材に対してＸＹステージを支持する支持部材を、例えばセラミックス系材料のような低線膨張係数を有する材料で形成することで、真空チャンバの側壁から保持部材を介して周囲温度の変化が伝わった場合でも、特定部材とＸＹステージ間の距離の変化を少なくすることができる。

本発明によれば、ＸＹステージは真空チャンバの底板および側壁に対して真空断熱された状態となり、周囲温度が真空チャンバを通じてＸＹステージに伝わることが殆どなく、しかも、ＸＹステージは、引出し電極などの特定部材を真空チャンバ内で保持する保持部材に対し、支持部材を介して支持されているため、周囲温度の変化や気圧変化によって真空チャンバの各部に寸法変化があっても、その寸法変化によってＸＹステージと特定部材とは実質的かつ一体的に変位することになるため、ＸＹステージと特定部材との距離の変化は従来に比して大幅に少なくなる。

そして、以上の構造をレーザ脱離イオン化装置のＸＹステージと引出し電極に適用することにより、サンプルプレートと引出し電極との距離が周囲温度や気圧によって変化することを少なくすることができ、ひいては高精度の測定が可能となる。

本発明の実施形態の要部縦断面図。図１に示す保持部材よりも下側部分を示す斜視図。図１に示す装置の熱伝導経路の説明図。図５に示す装置の熱伝導経路の説明図。従来のレーザ脱離イオン化装置の要部縦断面図。図５に示す装置の真空チャンバ内におけるＸＹステージの平面図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析装置に適用した実施形態での要部縦断面図であり、図２はその保持部材２３よりも下側部分を示す斜視図である。なお、図１，２において、図５，６に示したものと同様の部材については同一の符号を付している。

ＸＹステージ１０は、ベース１１上にＹ方向リニアガイド１２を配置し、その上にＸ方向リニアガイド１３を配置し、さらにその上に移動ステージ１４を配置した構造となっており、Ｘ方向リニアガイド１３はＹ方向リニアガイド１２に沿って移動するとともに、移動ステージ１４はＸ方向リニアガイド１３に沿って移動し、これにより、移動ステージ１４はベース１１に対して水平面に沿った任意の方向に移動可能となっている。そして、移動ステージ１４の上に、複数のウェルを備えたサンプルプレートＳが載置されている。

真空チャンバ２０には、その底板２１から所定の距離だけ上方の位置に、側壁２２から内フランジ状に突出する保持部材２３が設けられており、この保持部材２３に環状の引出し電極３１が固定されている。この引出し電極３１の上方には、同じく環状の複数のイオン集束電極３２が同軸上に配置されている。そして、これらの各電極の中心軸上で、かつ、引出し電極３１から所定距離だけ下方の位置に、パルス状のレーザ光の照射位置が設定されている。すなわち、引出し電極３１の直下に、その中心軸上に位置決めされたサンプルプレートＳ上の試料に対し、パルス状のレーザ光が照射される。このパルス状のレーザ光の照射により試料成分がイオン化され、そのイオンは引出し電極３１によって引き出され、イオン集束電極３２で集束されて検出器へと飛行する。検出器に到達するのに要する時間は、イオンのｍ／ｚに依存するので、その所要時間からイオンの種類が求められる。なお、レーザ光源およびその照射光学系については、従来から実用化されているものと同等であって本発明の特徴とは関係がないことから、図面の煩雑化を避けるため図示を省略した。

さて、本実施形態の特徴は、ＸＹステージ１０の支持構造にあり、以下、その構造について説明する。ＸＹステージ１０自体の構造は、図５のものと同様であるが、そのベース１１の上面の四隅部分に、柱状の支持部材４０が固定されている。これらの各支持部材４０は、その上面が前記した保持部材２３の下面に対して密着して固定されている。すなわち、ＸＹステージ１０のベース１１は、４本の支持部材４０によって真空チャンバ２０の保持部材２３に吊り下げられるように支持されている。そして、このように４本の支持部材４０で支持されたＸＹステージ１０は、ベース１１がこれらの支持部材４０にのみ接触し、真空チャンバ２０の底板２１および側壁２２のいずれにも接触せず、空隙Ｇが形成されている。

ここで、支持部材４０の材質については特に限定されるものではないが、線膨張係数の小さい材料、例えばセラミックス系材料とすることが好ましい。

以上の実施形態によると、まず、ＸＹステージ１０には、真空チャンバ２０の周囲温度が伝わりにくく、熱的な影響を受けにくい。ここで、本発明の実施形態における熱伝導経路を表すモデルを図３に示し、図４には図５に示した従来装置の熱伝導経路を表すモデルを示す。なお、これらの図では右側面からの熱伝導経路のみを図示している。図３，４の比較から明らかなように、従来装置では周囲温度の変化が真空チャンバ２０の側壁２２全体から伝わり、真空チャンバ２０の底板２１に固定されているＸＹステージ１０に伝わっていたのに対し、本発明では、ＸＹステージ１０は真空チャンバ２０の側壁２２並びに底板２１に対して真空断熱され、４本の支持部材４０にのみ接触している構造であるため、熱伝導経路の断面積（紙面に垂直な面）が約１／１０に減少し、熱伝導距離が数倍になり、熱抵抗（℃／Ｗ）で比較すると数十分の一になる。

次に、ＸＹステージ１０は引出し電極３１を保持する保持部材２３に支持部材４０を介して支持されているので、周囲温度や気圧の変化により、真空チャンバ２０の側壁２２や底板２１などに寸法変化があっても、これらの寸法変化がＸＹステージ１０のベース１１、換言すれば、基準面と引出し電極３１との位置関係に影響を与えることがなく、引出し電極３１とＸＹステージ１０の移動ステージ１４、ひいてはサンプルプレートＳとの間のＺ方向距離に変化を生じない。

なお、以上の実施の形態は、本発明をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析装置に適用した例を示したが、本発明は、真空チャンバ内にＸＹステージを配置した装置に広く適用することができ、特に、特定部材に対するＸＹステージのＺ方向距離が問題となる装置に適用して有効である。

１０ＸＹステージ
１１ベース
１２Ｙ方向リニアガイド
１３Ｘ方向リニアガイド
１４移動ステージ
２０真空チャンバ
２１底板
２２側壁
２３保持部材
３１引出し電極（特定部材）
３２イオン集束電極
４０支持部材
Ｇ空隙
Ｓサンプルプレート（試料）

Claims

真空チャンバ内で、ベース上を２軸方向に移動する移動ステージを有してなるＸＹステージを支持する構造であって、
上記真空チャンバの側壁から真空チャンバの内側に突出するように設けられた保持部材に特定部材が保持され、上記ＸＹステージの移動ステージは、上記特定部材に対して鉛直方向に所定の距離を隔てた状態で水平方向に移動して位置決めされるように構成されているとともに、
上記ＸＹステージのベースが、上記真空チャンバの底板および側壁に対して所定の空隙を介在させた状態で、上記保持部材に対して支持部材を介して支持されていることを特徴とする真空チャンバ内におけるＸＹステージの支持構造。
上記支持部材が、低線膨張係数を持つ材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空チャンバ内におけるＸＹステージの支持構造。
真空チャンバ内に、ベース上を２軸方向に移動する移動ステージを有してなるＸＹステージが配置され、その移動ステージ上に載置された試料に対してレーザ光を照射することにより、その試料に含まれる成分をイオン化し、そのイオンを、試料に対するレーザ照射位置の直上に設けられた電極が作る電場により所用方向に引き出すとともに、上記ＸＹステージの駆動により上記移動ステージ上の試料に対するレーザ照射位置を順次変化させるように構成されたレーザ脱離イオン化装置において、
上記電極が上記真空チャンバの側壁に内側に突出するように設けられた保持部材により保持されているとともに、上記ＸＹステージのベースが、上記真空チャンバ内の底板および側壁に対して所定の空隙を介在させた状態で、上記保持部材に対して支持部材を介して支持されていることを特徴とするレーザ脱離イオン化装置。
上記支持部材が、低線膨張係数を有する材料によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ脱離イオン化装置。