JP6108387B2 - Analyzer using ionic liquid beam - Google Patents

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Description

本発明は、分析試料を真空中に搬入し、電子ビームやレーザーあるいはイオンビームを分析試料に照射することにより発生した電子やイオンを分析する分析装置に関するものである。
電子ビーム照射を用いる分析手法としては、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:以下、SEMと称す)や透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:以下、TEMと称す)に関するものである。
レーザー照射を用いる分析手法としては、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization:以下、MALDIと称す)に関するものである。
また、イオンビーム照射を用いる分析手法としては、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:以下、SIMSと称す)に関するものである。
The present invention relates to an analysis apparatus for analyzing electrons and ions generated by carrying an analysis sample into a vacuum and irradiating the analysis sample with an electron beam, a laser, or an ion beam.
The analysis method using electron beam irradiation relates to a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) and a transmission electron microscope (hereinafter referred to as TEM).
An analysis technique using laser irradiation relates to a matrix-assisted laser desorption / ionization method (hereinafter referred to as MALDI).
An analysis method using ion beam irradiation relates to secondary ion mass spectrometry (hereinafter referred to as SIMS).

電子顕微鏡(SEMやTEM等)は、電子ビームを分析試料に照射し、発生する二次電子や透過電子等を検出することにより分析試料の形状等を測定する手法である。分析試料としては導電性を有する物や導電性を有しない物がある。分析試料が導電性を有し、接地されていれば、電子ビームを照射してもチャージアップは発生しない。一方、分析試料が絶縁体からなる物体または絶縁体で囲まれた物体である場合には、電子ビームを照射するとチャージアップが発生してしまうため、試料の像を正確に観察することは難しいという課題がある。
この課題を解決する一つの方法として、試料表面にカーボンやアルミニウム、または白金等を蒸着し、試料表面に帯電した電荷を逃がし、チャージアップを防止する手法が知られている。
また、特許文献1では、分析試料にイオン液体を含浸させたり、分析試料表面にイオン液体を塗布することでチャージアップを防止することが提案されている。この手法は、水を含有する生体試料等において問題となる乾燥による変形も抑制でき、生きた状態に近い形状を観察できることも利点とされている。
An electron microscope (SEM, TEM, etc.) is a technique for measuring the shape of an analysis sample by irradiating an analysis sample with an electron beam and detecting generated secondary electrons, transmission electrons, and the like. Analytical samples include those that have conductivity and those that do not have conductivity. If the analysis sample has conductivity and is grounded, no charge-up occurs even when the electron beam is irradiated. On the other hand, if the analysis sample is an object made of an insulator or an object surrounded by an insulator, charge-up occurs when the electron beam is irradiated, so it is difficult to accurately observe the sample image. There are challenges.
As one method for solving this problem, a method is known in which carbon, aluminum, platinum, or the like is vapor-deposited on the sample surface to release the charged charges on the sample surface and prevent charge-up.
Patent Document 1 proposes preventing charge-up by impregnating an analysis sample with an ionic liquid or applying an ionic liquid to the surface of the analysis sample. This technique is also advantageous in that it can suppress deformation due to drying, which is a problem in biological samples containing water, and can observe a shape close to a living state.

質量分析の有力な手法であるMALDIは、レーザーを分析試料に照射し、発生したイオンの質量電荷比(m/z)を測定する手法である。レーザーを効率的に吸収し、イオン化されやすい物質をマトリックスとして予め分析試料と混合しておくことで、分子量の大きな分子をできるだけ壊さずに高感度で検出することが可能となる。特許文献2では、イオン液体をMALDIにおけるマトリクスとして使用することが提案されている。
表面分析の有力な手法であるSIMSは、一次イオンビームを分析試料に照射し、分析試料表面から放出される二次イオンを質量分析することによって、分析試料を構成する原子や分子構造等に関する情報を得ることを目的とする分析手法である。
特許文献3では、分析試料のチャージアップや乾燥等を防止するため、SIMS用の分析試料をイオン液体で包み込む、つまりコーティングする手法が提案されている。
また、非特許文献1では、イオン液体をSIMS分析におけるマトリクスとして使用することで、二次イオン強度が増大するなどの有用性が報告されている(Matrix−Enhanced Secondary Ion Mass Spectrometry:ME−SIMSと呼ばれる)。
つまり、分析試料をイオン液体でコーティングすることは、チャージアップや乾燥等の防止のみならず、二次イオン強度の増大にもつながり、SIMS分析において非常に有効な手法といえる。
なお、イオン液体(Ionic Liquid)は、room temperature molten saltとも呼ばれる物質で、室温においても液体状態である塩(えん)の総称である。イオン液体は、陽イオンと陰イオンから構成され、融点が室温より低いため室温で液体であり、高い導電性を持ち、蒸気圧がほとんど無いため真空中でも蒸発せずに液体のまま存在し、熱的に安定であること等の特徴を有する物質である(特許文献3、4参照)。
MALDI, which is an effective technique for mass spectrometry, is a technique for irradiating an analysis sample with a laser and measuring the mass-to-charge ratio (m / z) of the generated ions. By absorbing the laser efficiently and preliminarily mixing with the analysis sample using a substance that is easily ionized as a matrix, it becomes possible to detect a molecule having a large molecular weight with high sensitivity without breaking it as much as possible. Patent Document 2 proposes to use an ionic liquid as a matrix in MALDI.
SIMS, which is a powerful method for surface analysis, irradiates the analysis sample with a primary ion beam, and performs mass analysis of secondary ions emitted from the analysis sample surface, thereby providing information on the atomic and molecular structure of the analysis sample. It is an analysis technique aiming at obtaining.
Patent Document 3 proposes a method of wrapping, that is, coating, an analysis sample for SIMS with an ionic liquid in order to prevent charge-up or drying of the analysis sample.
Further, Non-Patent Document 1 reports the usefulness of increasing the secondary ion intensity by using an ionic liquid as a matrix in SIMS analysis (Matrix-Enhanced Secondary Ion Mass Spectrometry: ME-SIMS). be called).
That is, coating the analysis sample with the ionic liquid not only prevents charge-up and drying, but also increases the secondary ion intensity, and can be said to be a very effective technique in SIMS analysis.
In addition, an ionic liquid (Ionic Liquid) is a substance also called a room temperature molten salt, and is a general term for salts that are in a liquid state even at room temperature. An ionic liquid is composed of a cation and an anion, and since it has a melting point lower than room temperature, it is a liquid at room temperature. It has high conductivity and has almost no vapor pressure. It is a substance having characteristics such as being stable (see Patent Documents 3 and 4).

国際公開WO2007/083756号公報International Publication WO2007 / 083756 国際公開WO2004/023147号公報International Publication WO 2004/023147 特開2009−128045号公報JP 2009-128045 A 特開2011−100632号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-10052

J.J.D.Fitzgerald,P.Kunnath,and A.V.Walker,“Matrix−Enhanced Secondary Ion Mass Spectrometry(ME SIMS) Using Room Temperature Ionic Liquid Matrices”,Analytical Chemistry,82(2010) 4413−4419.J. et al. J. et al. D. Fitzgerald, P.M. Kunnath, and A.A. V. Walker, “Matrix-Enhanced Secondary Ion Mass Spectrometry (ME SIMS) Using Room Temperature Ionic Liquid Matrix” (Analytical Chemistry 44, 19).

上記のように、イオン液体を分析試料に含浸させたり、コーティングする等の前処理が行われることがあるが、これらの処理は分析前に実施される。SEMやMALDIあるいはSIMS等の分析は真空中で行われるため、真空容器内部に分析試料を導入する前に、イオン液体のコーティング等の前処理は完了していることになる。
一方、SEMやTEMなどにおいて、分析時間が長時間に及び、電子ビーム照射により試料表面の温度が上昇した場合には、分析試料表面のイオン液体が蒸発し、消失することが懸念される。
また、レーザーやイオンビームを照射する場合には、試料表面がスパッタリング等により真空中に飛び散るため、試料表面のイオン液体は分析が進むにつれて徐々に消失してしまう。
つまり、分析開始時をピークとして、分析試料表面のイオン液体の量は分析時間の経過に伴い減少していくことは避けられない。イオン液体の減少は、チャージアップや乾燥等の防止効果の低減につながり、安定した測定が徐々にできなくなることを意味する。
特に、SIMSは、イオンビーム照射によるスパッタリングを利用していることから、試料表面から試料内部の深さ方向に対する分析も可能であることが大きな特徴であるにもかかわらず、スパッタリングによってイオン液体が無くなっていくため、何らかの方法でイオン液体を追加で供給しなければ試料内部の分析は難しくなる。
また、SIMSやMALDIのように、イオン液体がマトリクスとしての効果も有し、イオン化効率が増大する効果を有する場合は、イオン液体のコーティング量が変動してしまうとイオン化効率も変動することになり、定量性が悪化してしまうという問題につながる。したがって、精度の高い分析のためには、分析の開始から終了時まで、イオン液体のコーティング量は一定に保持する必要がある。
一つの解決法としては、ある程度分析を行った後で、一旦、分析を中止し、分析試料を真空容器から大気中に取り出して、再度、イオン液体の被覆処理等を行うことが考えられる。しかし、この手法では、分析工程が複雑になることはもちろんであるが、大気圧から高真空条件に再度真空引きするまでに長い時間がかかってしまうという深刻な問題がある。
As described above, pretreatment such as impregnation of an ionic liquid on an analysis sample or coating may be performed, but these treatments are performed before analysis. Since analysis such as SEM, MALDI, or SIMS is performed in a vacuum, pretreatment such as coating of an ionic liquid is completed before introducing an analysis sample into the vacuum container.
On the other hand, in SEM, TEM, etc., when the analysis time is long and the temperature of the sample surface is increased by electron beam irradiation, there is a concern that the ionic liquid on the surface of the analysis sample evaporates and disappears.
In the case of irradiation with a laser or ion beam, the sample surface is scattered in a vacuum by sputtering or the like, so that the ionic liquid on the sample surface gradually disappears as the analysis proceeds.
That is, it is inevitable that the amount of ionic liquid on the surface of the analysis sample decreases with the passage of analysis time, with the peak at the start of analysis. Decreasing the ionic liquid leads to a reduction in prevention effects such as charge-up and drying, and means that stable measurement cannot be performed gradually.
In particular, since SIMS uses sputtering by ion beam irradiation, the ionic liquid is eliminated by sputtering, despite the fact that analysis from the sample surface to the depth direction inside the sample is also possible. Therefore, analysis of the inside of the sample becomes difficult unless an ionic liquid is additionally supplied by some method.
In addition, as in SIMS and MALDI, when the ionic liquid has an effect as a matrix and has an effect of increasing the ionization efficiency, the ionization efficiency also varies when the coating amount of the ionic liquid varies. , Which leads to the problem that the quantitativeness deteriorates. Therefore, for highly accurate analysis, it is necessary to keep the coating amount of the ionic liquid constant from the start to the end of the analysis.
As one solution, it is conceivable that after a certain amount of analysis is performed, the analysis is once stopped, the analysis sample is taken out from the vacuum container into the atmosphere, and the ionic liquid is coated again. However, this method has a serious problem that the analysis process becomes complicated, but it takes a long time to evacuate from atmospheric pressure to a high vacuum condition again.

上記課題を解決するため、本発明では、真空容器内部にある分析試料に対して必要に応じて何度でも、あるいは連続的にイオン液体ビームを照射することで、分析試料表面にイオン液体を適宜供給し、イオン液体によるコーティング効果(チャージアップの抑制、乾燥による変形の抑制、二次イオンの増大)等を分析開始時から終了時まで保持できるようにする。なお、イオン液体ビームは、イオン液体を真空中でエレクトロスプレーする方式により生成することが可能である。   In order to solve the above problems, in the present invention, an ionic liquid is appropriately applied to the surface of an analysis sample by irradiating the analysis sample in the vacuum vessel as many times as necessary or continuously with an ionic liquid beam. The coating effect of the ionic liquid (suppression of charge-up, suppression of deformation due to drying, increase of secondary ions) and the like can be maintained from the start to the end of analysis. The ionic liquid beam can be generated by a method of electrospraying an ionic liquid in a vacuum.

すなわち、本発明の分析装置は、電子ビーム、レーザーあるいはイオンビームを分析試料に照射し、分析試料から放出される電子やイオン等を分析する装置であって、イオン液体ビームを照射するイオン液体ビーム源を備え、該イオン液体ビーム源は、真空中に設置された分析試料に対してイオン液体ビームを照射し、分析試料表面にイオン液体を供給しコーティングすることにより、イオン液体のコーティング量を分析開始時から分析終了時まで安定に保持できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、前記分析装置において、前記イオン液体ビーム源は、イオン液体の真空中でのエレクトロスプレーに基づくことを特徴とする。
また、本発明は、前記分析装置において、前記イオン液体ビーム源は、エレクトロスプレーにより生成されたイオン液体ビームの輸送途中に減速部を有し、ビーム中に混在する質量電荷比m/zの小さい成分を分離し、ビーム中から除去することを特徴とする。
また、本発明は、前記分析装置において、前記イオン液体ビーム源を一次イオンビーム源としても併用して二次イオンの質量を分析することを特徴とする。
また、本発明は、前記分析装置において、前記減速部は減速電極から構成され、該減速電極に印加する電圧を調整することにより、ビーム中に混在する質量電荷比m/zの小さい成分が減速電極を通過することを阻止し、質量電荷比m/zの大きい成分のみからなるビームを分析試料に照射して二次イオンの質量を分析することを特徴とする。
また、本発明は、前記分析装置において、前記イオン液体ビームの加速電圧を制御する加速電圧制御手段を備え、該加速電圧制御手段により加速電圧を調節することで、イオン液体を分析試料表面に供給してコーティングするコーティングモードと分析試料表面から二次イオンを発生させる分析モードを適宜切り換えながら二次イオンの質量を分析することを特徴とする。
That is, the analysis apparatus of the present invention is an apparatus that irradiates an analysis sample with an electron beam, a laser, or an ion beam and analyzes electrons, ions, etc. emitted from the analysis sample, and irradiates the ionic liquid beam. The ionic liquid beam source analyzes the coating amount of the ionic liquid by irradiating the ionic liquid beam to the analytical sample placed in a vacuum, supplying the ionic liquid to the surface of the analytical sample, and coating it. It is characterized in that it can be held stably from the start to the end of analysis.
The present invention is also characterized in that, in the analysis apparatus, the ionic liquid beam source is based on electrospray of an ionic liquid in a vacuum.
In the analyzer according to the present invention, the ionic liquid beam source has a deceleration part in the middle of transport of the ionic liquid beam generated by electrospray, and the mass-to-charge ratio m / z mixed in the beam is small. The components are separated and removed from the beam.
Further, the present invention is characterized in that in the analyzer, the mass of secondary ions is analyzed using the ionic liquid beam source also as a primary ion beam source.
According to the present invention, in the analyzer, the deceleration unit is configured by a deceleration electrode, and a component having a small mass-to-charge ratio m / z mixed in the beam is decelerated by adjusting a voltage applied to the deceleration electrode. It is characterized in that the analysis sample is irradiated with a beam consisting only of a component having a large mass-to-charge ratio m / z while being prevented from passing through the electrode, and the mass of secondary ions is analyzed.
Further, the present invention provides the analyzer with acceleration voltage control means for controlling an acceleration voltage of the ionic liquid beam, and supplies the ionic liquid to the surface of the analysis sample by adjusting the acceleration voltage by the acceleration voltage control means. The mass of the secondary ions is analyzed while appropriately switching between the coating mode for coating and the analysis mode for generating secondary ions from the surface of the analysis sample.

本発明の分析装置により、電子ビーム照射やレーザー照射あるいはイオンビーム照射によって分析試料表面から失われたイオン液体を分析装置内部の真空中において補充することが可能となり、イオン液体のコーティング効果(チャージアップや乾燥防止、あるいはイオン強度増大等の効果)を分析開始時から分析終了時まで安定に保持することができるようになる。
また、本発明により、コーティングモードと分析モードの切り替えが、加速電圧を制御することで可能となり、これにより、分析開始時から終了時まで、分析試料表面のイオン液体量を所定の範囲で制御でき、安定な測定が可能となる。
The analyzer according to the present invention makes it possible to replenish the ionic liquid lost from the surface of the analysis sample by electron beam irradiation, laser irradiation, or ion beam irradiation in the vacuum inside the analyzer, and the coating effect (charge up) of the ionic liquid. And effects such as prevention of drying or increase in ionic strength) can be stably maintained from the start of analysis to the end of analysis.
In addition, according to the present invention, switching between the coating mode and the analysis mode can be performed by controlling the acceleration voltage, whereby the amount of ionic liquid on the surface of the analysis sample can be controlled within a predetermined range from the start to the end of the analysis. , Stable measurement becomes possible.

本発明の実施例1を示す図であって、真空中に設置されている分析試料表面に対して、イオン液体をビームとして供給可能なイオン液体ビーム源を備えた電子顕微鏡の概略図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows Example 1 of this invention, Comprising: The schematic of the electron microscope provided with the ionic liquid beam source which can supply an ionic liquid as a beam with respect to the analysis sample surface installed in the vacuum. 本発明の実施例2を示す図である。It is a figure which shows Example 2 of this invention. 本発明の実施例3を示す図である。It is a figure which shows Example 3 of this invention. 本発明の実施例4を示す図である。It is a figure which shows Example 4 of this invention. 本発明の実施例5を示す図である。It is a figure which shows Example 5 of this invention. 実施例5の減速電極の効果を検証するために用いた実験装置の概念図。The conceptual diagram of the experimental apparatus used in order to verify the effect of the deceleration electrode of Example 5. FIG. 図6の実験装置を用いて測定した過渡応答実験結果の一例。An example of the transient response experiment result measured using the experimental apparatus of FIG. 図7の結果をまとめた図である。It is the figure which put together the result of FIG. 本発明の実施例6を示す図である。It is a figure which shows Example 6 of this invention. 実施例6を検証するために用いたSIMS実験装置の概念図。The conceptual diagram of the SIMS experimental apparatus used in order to verify Example 6. FIG. 図10のSIMS実験装置で測定された二次イオンのマススペクトルの一つ目の例。The 1st example of the mass spectrum of the secondary ion measured with the SIMS experimental apparatus of FIG. 図10のSIMS実験装置で測定された二次イオンのマススペクトルの二つ目の例。The 2nd example of the mass spectrum of the secondary ion measured with the SIMS experimental apparatus of FIG. 本発明の実施例7を示す図である。It is a figure which shows Example 7 of this invention. 本発明の実施例8を示す図であって、イオン液体ビームの加速電圧を調節することで、コーティングモードと分析モードを適宜切り換えることを説明した図である。It is a figure which shows Example 8 of this invention, Comprising: It is the figure explaining switching the coating mode and analysis mode suitably by adjusting the acceleration voltage of an ionic liquid beam.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるイオン液体ビーム照射による分析試料のイオン液体コーティング機構を有する分析装置の構成について説明する。   Hereinafter, a configuration of an analyzer having an ionic liquid coating mechanism for an analysis sample by ionic liquid beam irradiation according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施例1)
図1は、本発明の一つ目の実施例の概略図である。基本的に、一般的な電子顕微鏡(SEMなど)であるが、真空中に設置されている分析試料にイオン液体を供給するために用いるイオン液体ビーム源を備えていることが特徴である。イオン液体ビーム源からイオン液体ビームを照射することで、真空中に設置されている分析試料表面にイオン液体を供給できる構造となっている。
電子ビーム照射によって、分析試料表面からイオン液体が蒸発等によって消失する傾向があったとしても、イオン液体ビーム源からイオン液体をビームとして供給できるため、分析試料表面のイオン液体量をある一定量でバランスさせることができる。なお、イオン液体ビームは、間欠的に照射しても良いし、電子ビーム照射と同時に連続的に照射しても良い。
分析試料表面のイオン液体量の消失と供給がバランスされるため、チャージアップの問題や乾燥による試料の変形等が起こらないため、分析開始から分析終了時まで安定な測定が可能となる。
Example 1
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the present invention. Basically, it is a general electron microscope (SEM or the like), but is characterized by having an ionic liquid beam source used for supplying an ionic liquid to an analysis sample installed in a vacuum. By irradiating an ionic liquid beam from an ionic liquid beam source, an ionic liquid can be supplied to the surface of an analysis sample installed in a vacuum.
Even if the ionic liquid tends to disappear from the surface of the analysis sample due to evaporation or the like due to electron beam irradiation, the ionic liquid can be supplied as a beam from the ionic liquid beam source. Can be balanced. The ionic liquid beam may be irradiated intermittently or may be irradiated continuously simultaneously with the electron beam irradiation.
Since the disappearance and supply of the amount of the ionic liquid on the surface of the analysis sample are balanced, the problem of charge-up and the deformation of the sample due to drying do not occur, so that stable measurement can be performed from the start of analysis to the end of analysis.

(実施例2)
図2は、本発明の二つ目の実施例の概略図である。基本的に、一般的なMALDI質量分析装置であるが、真空中に設置されている分析試料にイオン液体を供給するために用いるイオン液体ビーム源を備えていることが特徴である。イオン液体ビーム源からイオン液体ビームを照射することで、真空中に設置されている分析試料表面にイオン液体を供給できる構造となっている。
レーザー照射によって、分析試料からイオン液体が飛び散り消失したとしても、イオン液体ビーム源からイオン液体をビームとして供給できるため、分析試料からイオン液体が無くなることはない。なお、イオン液体ビームは、間欠的に照射しても良いし、連続的に照射しても良い。
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the present invention. Basically, it is a general MALDI mass spectrometer, but is characterized by having an ionic liquid beam source used for supplying an ionic liquid to an analysis sample installed in a vacuum. By irradiating an ionic liquid beam from an ionic liquid beam source, an ionic liquid can be supplied to the surface of an analysis sample installed in a vacuum.
Even if the ionic liquid scatters and disappears from the analysis sample due to laser irradiation, the ionic liquid can be supplied as a beam from the ionic liquid beam source, so that the ionic liquid is not lost from the analysis sample. The ionic liquid beam may be irradiated intermittently or continuously.

(実施例3)
図3は、本発明の三つ目の実施例の概略図である。基本的に、一般的なSIMS装置であるが、真空中に設置されている分析試料にイオン液体を供給するために用いるイオン液体ビーム源を備えていることが特徴である。イオン液体ビーム源からイオン液体ビームを照射することで、真空中に設置されている分析試料表面にイオン液体を供給できる構造となっている。
一次イオンビーム照射によって、分析試料表面からイオン液体がスパッタリングによって消失する傾向があったとしても、イオン液体ビーム源からイオン液体をビームとして供給できるため、分析試料表面のイオン液体量をある一定量でバランスさせることができる。なお、イオン液体ビームは、間欠的に照射しても良いし、一次イオンビームと同時に連続的に照射しても良い。
これにより、分析試料表面のイオン液体量の消失と供給がバランスされるため、チャージアップの問題や乾燥による試料の変形等が起こらず、また二次イオンの増大効果も一定化できるため、分析開始から分析終了時まで安定な測定が可能となる。
(Example 3)
FIG. 3 is a schematic diagram of a third embodiment of the present invention. Basically, it is a general SIMS apparatus, but is characterized in that it includes an ionic liquid beam source used for supplying an ionic liquid to an analysis sample installed in a vacuum. By irradiating an ionic liquid beam from an ionic liquid beam source, an ionic liquid can be supplied to the surface of an analysis sample installed in a vacuum.
Even if the ionic liquid tends to disappear from the surface of the analysis sample by sputtering due to the primary ion beam irradiation, the ionic liquid can be supplied as a beam from the ionic liquid beam source. Can be balanced. The ionic liquid beam may be irradiated intermittently, or may be irradiated continuously simultaneously with the primary ion beam.
This balances the disappearance and supply of the amount of ionic liquid on the surface of the analysis sample, so there is no charge-up problem or deformation of the sample due to drying, and the effect of increasing secondary ions can be made constant. Stable measurement from the end of the analysis to the end of the analysis.

(実施例4)
図4は、本発明の実施例4の概略図である。基本的構成は、図3の実施例3と同じであるが、イオン液体を真空中でエレクトロスプレーする方式に基づくイオン液体ビーム源を搭載していることが特徴である。
エレクトロスプレー部は、金属細管(キャピラリー)、対向電極および図中には記載されていないイオン液体供給ラインや高圧電源等から構成されている。イオン液体供給ラインから金属細管内部にイオン液体が供給され、金属細管の前方に設置された対向電極方向に向かってエレクトロスプレーがなされる。高圧電源を用いて金属細管や対向電極の電位を制御できる構造となっており、対向電極に対して金属細管の電位を高い条件にすると、正電荷のイオン液体ビームを生成できる。逆に、対向電極に対して金属細管の電位を低い条件にすると、負電荷のイオンビームを生成できる。イオン液体は蒸気圧が非常に低く、導電性も高いため、高真空中でも問題なく安定にエレクトロスプレーすることが可能である。
金属細管の内径は5μm〜100μm程度である。金属細管先端と対向電極間のギャップ長は数mm程度であり、1kV〜3kV程度の電位差が生じるとエレクトロスプレーが起こる。なお、金属細管は、ガラス製などの絶縁性の細管に導電性を持たせた物でも代用可能である。対向電極の中央部には電極孔(アパーチャー)があり、エレクトロスプレーによって生じた帯電液滴やイオンはその電極孔を通過し、ビームとなって分析試料に対して照射される。
イオン液体供給ラインは、内径100μm程度のチューブであり、例えばPEEKチューブである。また、図示しない液体供給機構(例えば、マイクロシリンジ等)を有しており、イオン液体を連続的に金属細管に供給できる。イオン液体供給ラインや液体供給機構は真空中でも大気圧中でも設置可能であるが、大気圧下に設置する場合には、金属細管の先端部は真空容器内部に設置される構造とし、エレクトロスプレー自体は真空中で行うことができる構造となっている。
Example 4
FIG. 4 is a schematic diagram of Embodiment 4 of the present invention. The basic configuration is the same as that of the third embodiment shown in FIG. 3 except that an ionic liquid beam source based on a method of electrospraying an ionic liquid in a vacuum is mounted.
The electrospray section is composed of a thin metal tube (capillary), a counter electrode, an ionic liquid supply line not shown in the figure, a high-voltage power supply, and the like. The ionic liquid is supplied from the ionic liquid supply line to the inside of the metal thin tube, and electrospray is performed toward the counter electrode installed in front of the metal thin tube. A high voltage power source is used to control the potential of the metal thin tube and the counter electrode. When the potential of the metal thin tube is higher than that of the counter electrode, a positively charged ionic liquid beam can be generated. On the contrary, when the potential of the metal thin tube is set lower than that of the counter electrode, a negatively charged ion beam can be generated. Since the ionic liquid has a very low vapor pressure and high conductivity, it can be stably electrosprayed without any problem even in a high vacuum.
The inner diameter of the metal thin tube is about 5 μm to 100 μm. The gap length between the tip of the thin metal tube and the counter electrode is about several millimeters, and electrospray occurs when a potential difference of about 1 kV to 3 kV occurs. The metal thin tube can be substituted with a conductive material such as an insulating thin tube made of glass. There is an electrode hole (aperture) in the center of the counter electrode, and charged droplets and ions generated by electrospray pass through the electrode hole and irradiate the analysis sample as a beam.
The ionic liquid supply line is a tube having an inner diameter of about 100 μm, for example, a PEEK tube. Moreover, it has a liquid supply mechanism (for example, a microsyringe) (not shown), and can continuously supply the ionic liquid to the metal thin tube. The ionic liquid supply line and liquid supply mechanism can be installed in a vacuum or at atmospheric pressure, but when installed under atmospheric pressure, the tip of the metal thin tube is installed inside the vacuum vessel, and the electrospray itself is The structure can be performed in a vacuum.

(実施例5)
図5は、本発明の実施例5の概略図である。基本的構成は、図4の実施例4と同じであるが、対向電極の下流に減速電極と接地電極が配置されていることが特徴である。減速電極と接地電極には、それぞれ電極孔が設けられており、エレクトロスプレーによって生じたビームが通過できる構造となっている。
減速電極には、高電圧が印加される構造となっており、エレクトロスプレーにより生成された帯電液滴やイオンを減速させる作用を担う。エレクトロスプレーによって生成されたビーム中には、大雑把に分類すると、
(i)質量電荷比(m/z)の小さい成分と
(ii)質量電荷比(m/z)の大きい成分
の2成分が混在している。減速電極に印加する電圧を調整することにより、ビーム中に混在する質量電荷比(m/z)の小さい成分が減速電極を通過することを阻止できる。つまり、減速電極電圧を調整することで、質量電荷比(m/z)の小さい成分をビーム中から取り除くことが可能となる。結果として、質量電荷比(m/z)が大きい成分のみからなるビームを生成できる。
なお、質量電荷比(m/z)の小さい成分がビーム中に存在すると、分析試料が有機材料や生体関連物質等のソフトな材料の場合には、分析試料のダメージが問題となりうる。従って、有機系材料を分析する場合には、質量電荷比(m/z)の小さい成分を除去し、質量電荷比(m/z)の大きい成分のみからなるビームを照射することが望ましい。
図6は、減速電極の効果を検証するために用いた実験装置の概念図である。金属細管の先端は真空容器内部に設置されており、イオン液体を真空中でエレクトロスプレーできる構造となっている。真空中でのエレクトロスプレーによって生成されたイオン液体ビームは対向電極、減速電極、接地電極(A)、偏向電極、接地電極(B)を通り抜け、ターゲットに到達し、ビーム電流値がオシロスコープを用いて測定される。偏向電極は、2枚の平板から構成されており、一方の平板は接地され、もう一方には周期的にパルス電圧が印加される構造となっている。実験では、周期的(100Hz)に偏向電極に+1kVの電圧を2000μs印加した。なお、+1kVのパルス電圧を印加していない時間は、0Vに保持した。+1kVを印加中には、生成された電場によってビームの軌道は曲げられ、ビームはターゲットに到達できなくなり、しばらくするとターゲットで測定するビーム電流値はゼロとなる。一方、+1kVから0Vに低下させると、ビームはターゲットに到達するようになる。本実験装置の特徴は、ターゲット電流の過渡的な応答を調べることで、ビーム中に存在する荷電粒子の質量電荷比(m/z)ならびに各電流成分の電流値を評価できる点にある。
(Example 5)
FIG. 5 is a schematic diagram of Embodiment 5 of the present invention. The basic configuration is the same as that of the fourth embodiment shown in FIG. 4, but is characterized in that a deceleration electrode and a ground electrode are arranged downstream of the counter electrode. The deceleration electrode and the ground electrode are each provided with an electrode hole so that a beam generated by electrospray can pass therethrough.
The deceleration electrode has a structure to which a high voltage is applied, and has a function of decelerating charged droplets and ions generated by electrospray. In the beam generated by electrospray, roughly classified,
Two components, i.e., a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) and (ii) a component having a large mass-to-charge ratio (m / z) are mixed. By adjusting the voltage applied to the deceleration electrode, it is possible to prevent a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) mixed in the beam from passing through the deceleration electrode. That is, by adjusting the deceleration electrode voltage, a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) can be removed from the beam. As a result, it is possible to generate a beam composed only of components having a large mass-to-charge ratio (m / z).
If a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) is present in the beam, the analysis sample may be damaged when the analysis sample is a soft material such as an organic material or a biological substance. Therefore, when analyzing an organic material, it is desirable to remove a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) and to irradiate a beam consisting only of a component having a large mass-to-charge ratio (m / z).
FIG. 6 is a conceptual diagram of an experimental apparatus used for verifying the effect of the deceleration electrode. The tip of the metal thin tube is installed inside the vacuum vessel, and has a structure in which ionic liquid can be electrosprayed in vacuum. The ionic liquid beam generated by electrospraying in vacuum passes through the counter electrode, deceleration electrode, ground electrode (A), deflection electrode, and ground electrode (B), reaches the target, and the beam current value is measured using an oscilloscope. Measured. The deflection electrode is composed of two flat plates, one flat plate is grounded, and a pulse voltage is periodically applied to the other flat plate. In the experiment, a voltage of +1 kV was applied to the deflection electrode periodically (100 Hz) for 2000 μs. Note that the time when the pulse voltage of +1 kV was not applied was maintained at 0V. During the application of +1 kV, the beam trajectory is bent by the generated electric field, the beam cannot reach the target, and after a while, the beam current value measured by the target becomes zero. On the other hand, when the voltage is decreased from +1 kV to 0 V, the beam reaches the target. The feature of this experimental apparatus is that the mass-to-charge ratio (m / z) of charged particles existing in the beam and the current value of each current component can be evaluated by examining the transient response of the target current.

図7は、図6の実験装置を用いて測定した過渡応答実験の結果の一例である。金属細管に+1.6kVの電圧を定常的に印加し、イオン液体を連続的にエレクトロスプレーしながら、偏向電極にパルス電圧を周期的に印加してターゲット電流の過渡応答を調べた。図中の下部の矩形波は、偏向電極に印加した電圧である。t=0μs〜1000μsまでの間とt=3000μs〜4000μsまでの間は0Vに保持され、t=1000μs〜3000μsの間は+1kVが印加された。偏向電極に+1kVが印加された直後から(t=1000μs)、イオン液体ビームは静電的に曲げられ、ターゲット電流は減少し始め、数百μs後にはゼロとなる。また、偏向電極に印加されていた+1kVの電圧を0Vに低下させると(t=3000μs)、ターゲット電流はしばらくして上昇し始め、数百μs後には定常値に回復する。
偏向電極電圧を+1kVから0Vに瞬時に低下させた時間(t=3000μs)を基準として、ターゲット電流が回復するまでの時間応答を飛行時間(TOF)法で解析することで、ビーム中に存在する荷電粒子成分のm/zを評価できる。式(1)は、荷電粒子の飛行時間と質量電荷比(m/z)の関係を示すものである。
m/z=2eVt2/(uL2) (1)
ここで、eは電気素量(1.6022×10-19C)、Vは加速電圧、tは飛行時間、uは統一原子質量単位(1.66054×10-27kg)、Lは飛行距離である。
図7には、
(i)減速電圧を0Vとした場合のターゲット電流の過渡応答結果と
(ii)減速電圧を+1.5kVとした場合のターゲット電流の過渡応答結果
が対比されている。減速電圧が0Vの場合、ターゲット電流の回復過程は、速い過程と遅い過程の2段階からなることが確認できる。一方、減速電圧が+1.5kVの場合には、速い回復過程は無くなり、遅い回復過程のみとなっていることがわかる。
具体的には、減速電圧が0Vの場合には、偏向電極電圧が+1kVから0Vに低下した時間(t=3000μs)から数+μsにはターゲット電流が急激に回復している(回復過程の1段階目)。その後、数百μs後にターゲット電流がさらに上昇し、定常値に回復している(回復過程の2段階目)。つまり、減速電極に印加する電圧が低い条件では、イオン液体ビーム中には質量電荷比(m/z)の小さい成分と大きい成分が混在していることがわかる。
一方、減速電極電圧を+1.5kVにした場合には、偏向電極電圧を0Vにした時間(t=3000μs)から数十μs後におけるターゲット電流の速い回復過程は現れず、数百μs程度後の回復過程のみとなっていることが確認できる。質量電荷比(m/z)の小さい成分が保有するエネルギーは比較的小さいため、減速電極によって形成される静電ポテンシャルの壁を乗り越えられず、減速電極から下流には進むことができないことが理由と考えられる。
FIG. 7 is an example of the results of a transient response experiment measured using the experimental apparatus of FIG. The transient response of the target current was examined by applying a pulse voltage to the deflection electrode periodically while applying a voltage of +1.6 kV to the metal thin tube steadily and continuously electrospraying the ionic liquid. The lower rectangular wave in the figure is the voltage applied to the deflection electrode. The voltage was maintained at 0 V between t = 0 μs and 1000 μs and between t = 3000 μs and 4000 μs, and +1 kV was applied between t = 1000 μs and 3000 μs. Immediately after +1 kV is applied to the deflection electrode (t = 1000 μs), the ionic liquid beam is electrostatically bent, the target current starts to decrease, and becomes zero after several hundred μs. Further, when the voltage of +1 kV applied to the deflection electrode is reduced to 0 V (t = 3000 μs), the target current starts to increase after a while and recovers to a steady value after several hundred μs.
By analyzing the time response until the target current recovers with the time when the deflection electrode voltage is instantaneously decreased from +1 kV to 0 V (t = 3000 μs) as a reference, it exists in the beam. The m / z of the charged particle component can be evaluated. Formula (1) shows the relationship between the time of flight of charged particles and the mass-to-charge ratio (m / z).
m / z = 2eVt 2 / (uL 2 ) (1)
Here, e is the elementary charge (1.6022 × 10 −19 C), V is the acceleration voltage, t is the flight time, u is the unit of unified atomic mass (1.66054 × 10 −27 kg), and L is the flight distance. It is.
In FIG.
(I) The transient response result of the target current when the deceleration voltage is 0 V and (ii) the transient response result of the target current when the deceleration voltage is +1.5 kV are compared. When the deceleration voltage is 0V, it can be confirmed that the recovery process of the target current consists of two stages, a fast process and a slow process. On the other hand, when the deceleration voltage is +1.5 kV, it can be seen that there is no fast recovery process and only a slow recovery process.
Specifically, when the deceleration voltage is 0 V, the target current is rapidly recovered from the time when the deflection electrode voltage is decreased from +1 kV to 0 V (t = 3000 μs) in several + μs (one step of the recovery process). Eye). Thereafter, the target current further increased after several hundred μs and recovered to a steady value (second stage of the recovery process). That is, it can be seen that under the condition that the voltage applied to the deceleration electrode is low, a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) and a component having a large mass are mixed in the ionic liquid beam.
On the other hand, when the deceleration electrode voltage is set to +1.5 kV, a fast recovery process of the target current does not appear after several tens of μs from the time (t = 3000 μs) when the deflection electrode voltage is set to 0 V, and after about several hundreds of μs. It can be confirmed that it is only a recovery process. The reason why the component having a small mass-to-charge ratio (m / z) has a relatively small energy, so it cannot overcome the wall of the electrostatic potential formed by the deceleration electrode and cannot travel downstream from the deceleration electrode. it is conceivable that.

図8は、減速電極電圧に対する質量電荷比(m/z)の小さい成分と大きい成分の変化をまとめた結果である。この図から、減速電圧を調節することで質量電荷比(m/z)の小さい成分を除去し、質量電荷比(m/z)の大きい成分のみからなるビームを生成できることがわかる。なお、減速電圧が0.9kV付近で電流値が増大しているのは、減速電極が形成する電場がイオン液体ビームを集束するように作用したためであると考えられる。   FIG. 8 shows the results of summarizing changes in the small and large components of the mass-to-charge ratio (m / z) relative to the deceleration electrode voltage. From this figure, it can be seen that by adjusting the deceleration voltage, a component having a small mass-to-charge ratio (m / z) can be removed and a beam consisting only of a component having a large mass-to-charge ratio (m / z) can be generated. The reason why the current value increases near the deceleration voltage of 0.9 kV is considered to be that the electric field formed by the deceleration electrode acts to focus the ionic liquid beam.

(実施例6)
図9は、本発明の実施例6の概略図である。図3(実施例3)や図4(実施例4)のSIMS装置と異なる点は、専用の一次イオンビーム源が無いかわりに、イオン液体ビーム源が一次イオンビーム源を兼用していることが特徴である。
図10は、イオン液体の真空中でのエレクトロスプレーを用いたイオンビーム源を搭載したSIMS実験装置の概念図である。イオン液体ビーム源が、SIMS用の一次イオンビーム源を兼用している。質量分析計には飛行時間質量分析計(TOF−MS)が搭載されており、分析試料から放出された二次イオンの質量電荷比(m/z)を二次イオンの飛行時間を計測することで評価できる。実験では、ステンレス板にイオン液体Aを塗布してイオンビームのターゲットとした。また、図示されていないマイクロシリンジポンプとPEEKチューブを用いて金属細管にイオン液体Bを50nL/minの条件で供給し、真空容器内部でエレクトロスプレーすることでイオン液体ビームを定常的に生成し、ターゲットに連続的に照射した。イオン液体ビーム照射によってターゲット表面からスパッタリングされた二次イオンは、静電レンズを経由して飛行時間質量分析計に輸送され、質量分析される。
なお、イオン液体AはN,N−diethyl−N−methyl−N−(2−methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)amideであり、以下、DEME−TFSAと称す。DEME−TFSA(分子量426.07)は、陽イオンであるDEME(C820ON、分子量146.15)と陰イオンであるTFSA(N(SO2CF3)2、分子量279.91)から構成される。
また、イオン液体Bは、1−Ethyl−3−methylimidazoliumbis(trifluoromethanesulfonyl)amideであり、以下、EMI−TFSAと称す。EMI−TFSA(分子量391.00)は、陽イオンであるEMI(C6112、分子量111.09)と陰イオンであるTFSA(N(SO2CF3)2、分子量279.91)から構成される。
なお、陰イオンであるN(SO2CF3)2は、TFSA以外にもTFSI、NTf2、あるいはTf2N等と称されることもあるが、IUPACの命名法に基づき、本願明細書ではTFSAと称することとする。
(Example 6)
FIG. 9 is a schematic diagram of Embodiment 6 of the present invention. The difference from the SIMS apparatus of FIG. 3 (Embodiment 3) or FIG. 4 (Embodiment 4) is that the ionic liquid beam source also serves as the primary ion beam source instead of the dedicated primary ion beam source. It is a feature.
FIG. 10 is a conceptual diagram of a SIMS experimental apparatus equipped with an ion beam source using electrospray of an ionic liquid in a vacuum. The ionic liquid beam source also serves as a primary ion beam source for SIMS. The mass spectrometer is equipped with a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS), and the mass-to-charge ratio (m / z) of secondary ions released from the analytical sample is measured for the time of flight of the secondary ions. Can be evaluated. In the experiment, an ionic liquid A was applied to a stainless steel plate to obtain an ion beam target. In addition, the ionic liquid B is supplied to the metal thin tube using a microsyringe pump and PEEK tube (not shown) under the condition of 50 nL / min, and the ionic liquid beam is constantly generated by electrospraying inside the vacuum vessel. The target was irradiated continuously. Secondary ions sputtered from the target surface by ionic liquid beam irradiation are transported to a time-of-flight mass spectrometer via an electrostatic lens and subjected to mass analysis.
The ionic liquid A is N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide, and is hereinafter referred to as DEME-TFSA. DEME-TFSA (molecular weight 426.07) is derived from cation DEME (C 8 H 20 ON, molecular weight 146.15) and anion TFSA (N (SO 2 CF 3 ) 2 , molecular weight 279.91). Composed.
Moreover, the ionic liquid B is 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbis (trifluoromethanesulfonyl) amide, and is hereinafter referred to as EMI-TFSA. EMI-TFSA (molecular weight 391.00) is cation EMI (C 6 H 11 N 2 , molecular weight 111.09) and anion TFSA (N (SO 2 CF 3 ) 2 , molecular weight 279.91). Consists of
N (SO 2 CF 3 ) 2 which is an anion may be referred to as TFSI, NTf 2 , Tf 2 N or the like in addition to TFSA, but based on the IUPAC nomenclature, It will be referred to as TFSA.

図11は、図10に示されたSIMS装置を用いて測定された二次イオンのマススペクトルの一つ目の例である。金属細管の電圧は、7.25kV、対向電極の電圧は6.0kVであった。測定中、イオン液体ビーム照射部のガス圧は2×10-4Pa、質量分析部のガス圧は1×10-5Paであった。図11において、もっとも大きなピークは、ターゲットであるイオン液体A(DEME−TFSA)の陽イオン(DEME、m/z 146.15)である。また、イオン液体A分子(DEME−TFSA)に陽イオン(DEME)が付加したイオン(m/z 572.22)も比較的高い強度を示した。また、エレクトロスプレーによってイオンビーム化されたイオン液体B(EMI−TFSA)に起因する二次イオンも検出された。例えば、m/z 111.09は、EMI−TFSAの陽イオン(EMI)である。また、EMI−TFSAに陽イオン(EMI)が付加したイオン(m/z 502.10)も検出された。なお、m/z 537.16も比較的強い信号が得られているが、これはイオン液体A(DEME−TFSA)にイオン液体Bの陽イオン(EMI)が付加したイオンと考えられる。
図11の結果で興味深い点は、ターゲット上に塗布されたイオン液体Aに起因する二次イオンに加えて、イオンビームとして照射されたイオン液体Bに起因する二次イオンも検出されたことである。このことから、イオン液体ビーム照射は、「ターゲット上にある分析試料のスパッタリング」のみならず、「分析試料表面へのイオン液体のデポジション」ならびに「デポジションされたイオン液体のスパッタリング」が同時並行的に行われているものと考えられる。従って、イオン液体ビームの照射条件を調節することで、スパッタリング効果とデポジション効果を調節し、結果として分析試料表面のイオン液体量を制御することが可能と考えられる。
FIG. 11 is a first example of a mass spectrum of secondary ions measured using the SIMS apparatus shown in FIG. The voltage of the metal thin tube was 7.25 kV, and the voltage of the counter electrode was 6.0 kV. During the measurement, the gas pressure in the ionic liquid beam irradiation part was 2 × 10 −4 Pa, and the gas pressure in the mass analysis part was 1 × 10 −5 Pa. In FIG. 11, the largest peak is a cation (DEME, m / z 146.15) of the target ionic liquid A (DEME-TFSA). An ion (m / z 572.22) obtained by adding a cation (DEME) to the ionic liquid A molecule (DEME-TFSA) also showed a relatively high strength. Further, secondary ions derived from ionic liquid B (EMI-TFSA) ionized by electrospray were also detected. For example, m / z 111.09 is an EMI-TFSA cation (EMI). Moreover, the ion (m / z 502.10) which added the cation (EMI) to EMI-TFSA was also detected. Note that a relatively strong signal is also obtained at m / z 537.16, which is considered to be an ion obtained by adding a cation (EMI) of the ionic liquid B to the ionic liquid A (DEME-TFSA).
An interesting point in the result of FIG. 11 is that in addition to secondary ions caused by the ionic liquid A applied on the target, secondary ions caused by the ionic liquid B irradiated as an ion beam were also detected. . For this reason, not only “sputtering of the analytical sample on the target” but also “deposition of the ionic liquid on the surface of the analytical sample” and “sputtering of the deposited ionic liquid” are performed simultaneously in the ionic liquid beam irradiation. It is thought that it is carried out. Therefore, it is considered that the sputtering effect and the deposition effect can be adjusted by adjusting the irradiation condition of the ionic liquid beam, and as a result, the amount of the ionic liquid on the surface of the analysis sample can be controlled.

図12は、図10に示されたSIMS装置で測定された二次イオンのマススペクトルの二つ目の例である。ターゲットであるステンレス板には、ポリエチレングリコール(平均分子量300、以下PEG300と称す)を塗布した。金属細管にはイオン液体B(EMI−TFSA)を供給し、イオン液体ビームを連続的に照射した。金属細管の電圧は、8.7kV、対向電極の電圧は7.0kVであった。イオン液体ビームを照射された分析試料(PEG300)からは、図12に示すような二次イオンが生成された。図12において、m/z 133.1ならびにm/z 177.1は、PEG300の特徴的なフラグメントイオンである。また、m/z 282〜m/z 458に、PEG300に起因する二次イオンが確認できる。また、図12には示されていないが、イオンビームとして照射されたイオン液体B(EMI−TFSA)に起因する二次イオン(m/z 111.09ならびにm/z 502.10など)も検出されおり、イオン液体ビームによるスパッタリングとデポジションが同時並行的に進行していることが確認された。   FIG. 12 is a second example of a mass spectrum of secondary ions measured by the SIMS apparatus shown in FIG. Polyethylene glycol (average molecular weight 300, hereinafter referred to as PEG300) was applied to the target stainless steel plate. An ionic liquid B (EMI-TFSA) was supplied to the metal thin tube, and the ionic liquid beam was continuously irradiated. The voltage of the metal thin tube was 8.7 kV, and the voltage of the counter electrode was 7.0 kV. Secondary ions as shown in FIG. 12 were generated from the analysis sample (PEG 300) irradiated with the ionic liquid beam. In FIG. 12, m / z 133.1 and m / z 177.1 are characteristic fragment ions of PEG300. Moreover, the secondary ion resulting from PEG300 can be confirmed at m / z 282 to m / z 458. Further, although not shown in FIG. 12, secondary ions (m / z 111.09 and m / z 502.10, etc.) caused by ionic liquid B (EMI-TFSA) irradiated as an ion beam are also detected. It was confirmed that sputtering and deposition by an ionic liquid beam proceeded in parallel.

(実施例7)
図13は、本発明の実施例7の概略図である。基本的構成は、図9(実施例6)と同じであるが、イオン液体ビーム源には、減速電極や集束用電極ならびにXY偏向電極が付加された構造となっていることが特徴である。
減速電極に印加する電圧を調節することで、イオン液体ビーム中に混在する質量電荷比(m/z)の小さい成分を除去でき、質量電荷比(m/z)の大きい帯電液滴成分のみからなるビームを生成できる。また、集束用電極を用いて、イオン液体ビームを集束し、ビーム径を細くすることができる。集束用電極としては、例えば、アインツェルレンズである。さらに、XY偏向電極により、イオン液体ビームの軌道を二次元的に走査することができる構造となっている。これにより、所定の位置にイオンビームを照射することが可能となる。
なお、イオン液体ビーム中に混在する質量電荷比(m/z)の小さい成分を除去する機構としては、減速電極に限定されるものではなく、磁場や電場等を用いた別の方式を採用しても良い。
(Example 7)
FIG. 13 is a schematic diagram of Embodiment 7 of the present invention. The basic configuration is the same as in FIG. 9 (Embodiment 6), but is characterized in that the ionic liquid beam source has a structure in which a deceleration electrode, a focusing electrode, and an XY deflection electrode are added.
By adjusting the voltage applied to the deceleration electrode, components having a small mass-to-charge ratio (m / z) mixed in the ionic liquid beam can be removed, and only from charged droplet components having a large mass-to-charge ratio (m / z). Can be generated. In addition, the focusing electrode can be used to focus the ionic liquid beam and reduce the beam diameter. An example of the focusing electrode is an Einzel lens. Further, the trajectory of the ionic liquid beam can be two-dimensionally scanned by the XY deflection electrode. This makes it possible to irradiate a predetermined position with an ion beam.
The mechanism for removing components with a small mass-to-charge ratio (m / z) mixed in the ionic liquid beam is not limited to the deceleration electrode, and another method using a magnetic field or an electric field is adopted. May be.

(実施例8)
図14は、本発明の実施例8であり、イオン液体ビームの加速電圧変化と運転モードを示している。スパッタリング現象やデポジション現象の発生あるいはその程度は、イオン液体ビームのエネルギーで大きく変わる。そのため、イオン液体ビームの加速電圧を制御することで、イオン液体ビーム照射によって引き起こされるスパッタリングとデポジションの効果を調節することが可能である。例えば、加速電圧を低くすることで、スパッタリングは全く起こさずに、デポジションだけを起こすことができる。また、加速電圧を高くすることで、デポジションの影響を小さくし、スパッタリングの効果を大きくすることもできる。従って、加速電圧が低い条件は、イオン液体を分析試料に供給するコーティングモードとなる。一方、加速電圧が高い条件では、スパッタリング現象が支配的となるため分析試料表面から二次イオンが放出される分析モードとなる。つまり、コーティングモードと分析モードの切り替えが、加速電圧を制御することで可能となる。これにより、分析開始時から終了時まで、分析試料表面のイオン液体量を所定の範囲で制御でき、安定な測定が可能となる。
なお、分析試料表面のイオン液体の層は必要以上に厚くしないことが望ましい。イオン液体をイオンビームとして供給する本発明では、加速電圧やビーム電流等を制御することでイオン液体のデポジション量を精度良く調節できるため、イオン液体のコーティング量の制御性の観点からも利点を有しているものと考えられる。
(Example 8)
FIG. 14 is an eighth embodiment of the present invention and shows changes in the acceleration voltage of the ionic liquid beam and operation modes. The occurrence or extent of the sputtering phenomenon and deposition phenomenon varies greatly depending on the energy of the ionic liquid beam. Therefore, by controlling the acceleration voltage of the ionic liquid beam, it is possible to adjust the effects of sputtering and deposition caused by the ionic liquid beam irradiation. For example, by lowering the acceleration voltage, it is possible to cause only deposition without causing sputtering at all. Also, by increasing the acceleration voltage, the influence of deposition can be reduced and the effect of sputtering can be increased. Accordingly, the condition where the acceleration voltage is low is a coating mode in which the ionic liquid is supplied to the analysis sample. On the other hand, under a condition where the acceleration voltage is high, the sputtering phenomenon becomes dominant, so that the analysis mode in which secondary ions are released from the surface of the analysis sample is obtained. That is, switching between the coating mode and the analysis mode is possible by controlling the acceleration voltage. As a result, the amount of ionic liquid on the surface of the analysis sample can be controlled within a predetermined range from the start to the end of analysis, and stable measurement can be performed.
It is desirable that the ionic liquid layer on the surface of the analysis sample is not thicker than necessary. In the present invention for supplying an ionic liquid as an ion beam, the deposition amount of the ionic liquid can be accurately adjusted by controlling the acceleration voltage, the beam current, etc., and this is advantageous from the viewpoint of controllability of the coating amount of the ionic liquid. It is thought to have.

ところで、二次イオンの飛行時間を計測する方式の飛行時間質量分析計(TOF−MS)を用いるSIMS装置(いわゆるTOF−SIMS)の場合には、実測した飛行時間を質量電荷比(m/z)に変換する作業が必要となる。本発明により、イオン液体に起因する既知の二次イオンが常に検出されることになるため、分析試料が未知の物質であったとしても、飛行時間と質量電荷比(m/z)の変換やTOF−SIMSシステムの校正が容易かつ精度良く実施できることも本発明の利点の一つである。
また、分析試料が複合材料あるいは複雑な組成の材料からなり、分析試料の外側は導電性を有しているものの、内部が絶縁性であるような場合には、SIMS分析が試料内部に及ぶにつれて、チャージアップの問題が発生してしまうことになる。しかし、イオン液体ビーム照射を用いる場合には、チャージアップの問題は全く発生しない。つまり、分析前に予めイオン液体の含浸や被覆等を行う、行わないにかかわらず、本発明は有効な手法といえる。
By the way, in the case of a SIMS device (so-called TOF-SIMS) using a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS) that measures the time of flight of secondary ions, the measured time-of-flight is expressed as the mass-to-charge ratio (m / z ) Conversion work is required. According to the present invention, since known secondary ions caused by the ionic liquid are always detected, even if the analysis sample is an unknown substance, the time-of-flight and mass-to-charge ratio (m / z) conversion or One of the advantages of the present invention is that the TOF-SIMS system can be easily and accurately calibrated.
In addition, when the analysis sample is made of a composite material or a material having a complicated composition and the outside of the analysis sample has conductivity, but the inside is insulative, the SIMS analysis extends to the inside of the sample. This will cause a charge-up problem. However, when ionic liquid beam irradiation is used, there is no charge up problem. In other words, the present invention can be said to be an effective technique regardless of whether or not the ionic liquid is impregnated or covered in advance before analysis.

本発明によれば、電気絶縁性の材料や水分を含むようなバイオメディカル試料等の真空中での分析(SEM、TEM、MALDI、SIMSなど)が、分析開始から分析終了時まで安定に、高精度かつ高感度に実施可能となる。   According to the present invention, analysis in vacuum (SEM, TEM, MALDI, SIMS, etc.) of an electrically insulating material or a biomedical sample containing moisture can be performed stably from the start of analysis to the end of analysis. It becomes possible to implement with high accuracy and high sensitivity.

Claims (6)

電子ビーム、レーザーあるいはイオンビームを分析試料に照射し、分析試料から放出される電子やイオン等を定量分析する装置であって、
真空容器内部にある前記分析試料に対してイオン液体ビームを照射しイオン液体を供給するイオン液体ビーム源を備え、前記分析試料表面の前記イオン液体を真空中で補充しそのコーティング量を分析開始時から分析終了時まで安定に保持できるようにしたことを特徴とする分析装置。
An apparatus that irradiates an analysis sample with an electron beam, laser, or ion beam and quantitatively analyzes electrons and ions emitted from the analysis sample,
Comprising an ionic liquid beam source for supplying illumination to the ionic liquid ionic liquid beam with respect to the analysis sample in the vacuum chamber, at start of analysis the amount of coating said ion liquid replenished in a vacuum of the analysis sample surface The analyzer can be held stably from the end of the analysis to the end of the analysis.
前記イオン液体ビーム源は、イオン液体の真空中でのエレクトロスプレーに基づくことを特徴とする請求項1に記載の分析装置。   The analyzer according to claim 1, wherein the ionic liquid beam source is based on electrospray of an ionic liquid in a vacuum. 前記イオン液体ビーム源は、エレクトロスプレーにより生成されたイオン液体ビームの輸送途中に減速部を有し、ビーム中に混在する質量電荷比m/zの小さい成分を分離し、ビーム中から除去することを特徴とする請求項2に記載の分析装置。   The ionic liquid beam source has a decelerating part in the middle of transport of an ionic liquid beam generated by electrospray, and separates a component having a small mass-to-charge ratio m / z mixed in the beam and removes it from the beam. The analyzer according to claim 2. 前記イオン液体ビーム源を一次イオンビーム源としても併用して二次イオンの質量を分析することを特徴とする請求項3に記載の分析装置。   The analyzer according to claim 3, wherein the ion liquid beam source is also used as a primary ion beam source to analyze the mass of secondary ions. 前記減速部は減速電極から構成され、該減速電極に印加する電圧を調整することにより、ビーム中に混在する質量電荷比m/zの小さい成分が減速電極を通過することを阻止し、質量電荷比m/zの大きい成分のみからなるビームを分析試料に照射して二次イオンの質量を分析することを特徴とする請求項4に記載の分析装置。   The deceleration unit is composed of a deceleration electrode, and by adjusting the voltage applied to the deceleration electrode, a component having a small mass-to-charge ratio m / z mixed in the beam is prevented from passing through the deceleration electrode, and the mass charge 5. The analyzer according to claim 4, wherein the analysis sample is irradiated with a beam consisting only of a component having a large ratio m / z to analyze the mass of secondary ions. 前記イオン液体ビームの加速電圧を制御する加速電圧制御手段を備え、該加速電圧制御手段により加速電圧を調節することで、イオン液体を分析試料表面に供給してコーティングするコーティングモードと分析試料表面から二次イオンを発生させる分析モードを適宜切り換えながら二次イオンの質量を分析することを特徴とする請求項4又は5に記載の分析装置。
An accelerating voltage control means for controlling the accelerating voltage of the ionic liquid beam is provided, and the accelerating voltage is adjusted by the accelerating voltage control means, whereby the ionic liquid is supplied to the surface of the analysis sample and coated. 6. The analyzer according to claim 4, wherein the mass of the secondary ions is analyzed while appropriately switching the analysis mode for generating the secondary ions.
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