JPWO2005074003A1 - Laser analysis apparatus and method - Google Patents

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Abstract

照射手段は、試料表面に照射されることで試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こす、該試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザを、試料表面に対して照射する。分析手段は、照射されたフェムト秒レーザに応じて試料表面から脱離される分子イオンを、例えば飛行時間型質量分析等で、分析する。The irradiation means irradiates the sample surface with a femtosecond laser in a low fluence region according to the material of the sample surface, which causes non-thermal desorption ionization on the sample surface by irradiating the sample surface. . The analyzing means analyzes molecular ions desorbed from the sample surface in accordance with the irradiated femtosecond laser by, for example, time-of-flight mass spectrometry.

Description

本発明は、例えばレーザを利用した固体表面における非破壊的な超微量分析などの、非破壊的な分析に好適に利用される、デソープションイオン化方式のレーザ分析装置及び方法の技術分野に関する。   The present invention relates to a technical field of a desorption ionization type laser analysis apparatus and method which are preferably used for nondestructive analysis such as nondestructive ultra-trace analysis on a solid surface using a laser.

この種のレーザを用いたデソープションイオン化方式(脱離イオン化方式)のレーザ分析方法としては、MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization:マトリックス支援レーザ脱離イオン化法)が広く知られている(特許文献1、2、非特許文献1、2参照)。   MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization) is widely known as a desorption ionization (desorption ionization) laser analysis method using this type of laser (patent) References 1 and 2 and Non-Patent References 1 and 2).

係るMALDI法によれば、試料表面にマトリックス剤が添加されることで、マトリックス剤が混合された試料表面から、ナノ秒レーザの照射に応じて分子イオンが試料表面から脱離イオン化される。そして、このように脱離された分子イオンを分析することで、試料表面の質量分析等の超微量分析が可能となるとされている。例えば、分子イオンのスペクトル分析を行うことで、相対ピーク強度スペクトル上で、マトリックス剤のピーク以外に現れるピークから、試料表面を有する試料の質量分析が行なわれる。   According to such a MALDI method, by adding a matrix agent to the sample surface, molecular ions are desorbed and ionized from the sample surface in response to the irradiation of the nanosecond laser from the sample surface mixed with the matrix agent. Then, by analyzing the molecular ions thus desorbed, it is said that ultra-trace analysis such as mass analysis of the sample surface becomes possible. For example, by performing molecular ion spectrum analysis, mass analysis of a sample having a sample surface is performed from a peak that appears on the relative peak intensity spectrum other than the peak of the matrix agent.

特開平09−320515号公報JP 09-320515 A 特開平09−326243号公報JP 09-326243 A 「無機物マトリックスを用いたMALDI分析(島津製作所)」田中耕一・川畑慎一郎 1995年度質量分析連合討論会 1−P−32“MALDI Analysis Using Inorganic Matrix (Shimadzu Corporation)” Koichi Tanaka and Shinichiro Kawabata 1995 Mass Spectrometry Union Discussion 1-P-32 「マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析法」田中耕一 (島津製作所) ぶんせき, NO.4 p253−261(1996)“Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization Mass Spectrometry” Koichi Tanaka (Shimadzu Corporation) Bunkeki, NO. 4 p253-261 (1996)

しかしながら、上述したMALDI法によれば、試料表面へのマトリックス剤の添加や、特殊加工したシリコン基板など特殊な基板等を用いることが必要であり、分析は必ずしも容易ではない或いは効率的ではないという技術的な問題点がある。更に、試料分析の際に相対ピーク強度スペクトル上に現れるマトリックス剤に起因した各種のピークやノイズ的成分は、試料の分析精度を低下させる要因に、大なり小なり成らざるを得ない。加えて、試料表面の非破壊的な超微量分析を行うこと、或いは試料を何ら損なわないように分析を行うこと、特に生体試料に対して外的傷害を及ぼさないように分析を行うことなどは、従来のマトリックス剤等を用いたMALDI法によれば、実践上大変困難であるという問題点もある。   However, according to the MALDI method described above, it is necessary to add a matrix agent to the sample surface or use a special substrate such as a specially processed silicon substrate, and the analysis is not always easy or efficient. There are technical problems. Furthermore, various peaks and noise-like components caused by the matrix agent appearing on the relative peak intensity spectrum during sample analysis must be made larger or smaller as a factor that lowers the analysis accuracy of the sample. In addition, performing non-destructive ultra-trace analysis of the sample surface, or performing analysis without damaging the sample, particularly performing analysis so as not to cause external damage to the biological sample, etc. However, according to the MALDI method using a conventional matrix agent or the like, there is also a problem that it is very difficult in practice.

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、例えば生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料などの固体試料をそのまま或いは非破壊的に超微量分析することを可能ならしめる、デソープションイオン化方式のレーザ分析装置及び方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. For example, a solid sample such as a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, and a compound sample can be analyzed as it is or nondestructively. It is an object of the present invention to provide a desorption ionization type laser analysis apparatus and method that can be realized.

本発明のレーザ分析装置は上記課題を解決するために、試料表面に照射されることで前記試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こす、該試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザを、前記試料表面に対して照射する照射手段と、前記照射されたフェムト秒レーザに応じて前記試料表面から脱離される分子イオンを、分析する分析手段とを備える。   In order to solve the above problems, the laser analyzer of the present invention causes non-thermal desorption / ionization on the sample surface by irradiating the sample surface, and in a low fluence region corresponding to the material of the sample surface. Irradiation means for irradiating the sample surface with a femtosecond laser; and analysis means for analyzing molecular ions desorbed from the sample surface in response to the irradiated femtosecond laser.

本発明のレーザ分析装置によれば、照射手段によって、例えば生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料等の固体試料に係る試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザが、試料表面に対して照射される。ここに「フェムト秒レーザ」とは、パルス幅が1ピコ秒(ps)以下であるフェムト秒オーダのレーザ或いはレーザパルスをいい、より詳細には、固体表面をなす固体試料の材質に対して、その衝突緩和時間よりも短い時間のパルス幅を有する、フェムト秒オーダのパルスレーザを意味する。即ち、フェムト秒レーザに係るパルス幅そのものについては、試料表面をなす生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料等の材質に応じて可変である。例えば、Al(アルミニウム)であれば、1.12ps(ピコ秒)、Cu(銅)であれば17.49ps、Ti(チタン)であれば、0.83psといった具合である。「フルーエンス」とは、レーザの1パルス当りの出力エネルギを照射断面積で割って求めたエネルギ密度(J/cm)である。また、「低フルーエンス」とは、一般には、相対的にフルーエンスの値が小さいことをいうが、本発明に係る「低フルーエンス」或いは「低フルーエンス領域」とは、レーザを材料表面に照射することで材料表面が蒸発する現象が生じるエネルギ密度の最小値(アブレーション閾値)近傍のフルーエンスを意味する。言い換えれば、本発明に係る「低フルーエンス領域」とは、非熱的なイオン化が固体表面で生じるアブレーション閾値付近の領域を意味する。より具体的には、典型的には1番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスと2番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスとの間の領域内を意味する。低フルーエンス領域は、固体表面の材質によって変化するが、例えば、15mJ/cm〜150mJ/cmといったオーダのフルーエンス領域が、ここでは挙げられる。According to the laser analyzer of the present invention, the femtosecond in the low fluence region corresponding to the material of the sample surface relating to the solid sample such as a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, and a compound sample is applied by the irradiation means. A laser is irradiated onto the sample surface. Here, the “femtosecond laser” refers to a femtosecond order laser or a laser pulse having a pulse width of 1 picosecond (ps) or less. More specifically, for a material of a solid sample forming a solid surface, It means a femtosecond order pulse laser having a pulse width shorter than the collision relaxation time. That is, the pulse width itself related to the femtosecond laser is variable according to the material such as a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, and a compound sample forming the sample surface. For example, it is 1.12 ps (picosecond) for Al (aluminum), 17.49 ps for Cu (copper), and 0.83 ps for Ti (titanium). “Fluence” is the energy density (J / cm 2 ) obtained by dividing the output energy per pulse of the laser by the irradiation cross section. In addition, “low fluence” generally means that the value of fluence is relatively small, but “low fluence” or “low fluence region” according to the present invention means that the surface of the material is irradiated with a laser. This means the fluence near the minimum value of energy density (ablation threshold) at which the phenomenon that the material surface evaporates occurs. In other words, the “low fluence region” according to the present invention means a region near the ablation threshold where nonthermal ionization occurs on the solid surface. More specifically, it typically means within the region between the first lowest ablation threshold fluence and the second lowest ablation threshold fluence. Although the low fluence region varies depending on the material of the solid surface, for example, a fluence region on the order of 15 mJ / cm 2 to 150 mJ / cm 2 is cited here.

本発明では特に、このように照射手段により照射されるフェムト秒レーザは、試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こすレーザとされている。本発明で照射されるフェムト秒レーザは、低フルーエンスであって且つ高光強度である“低フルーエンス高強度レーザパルス”となる。ここに本発明に係るレーザの「高強度」或いは「高光強度」とは、フェムト秒レーザを固体表面に照射することで、固体表面における材料を解離することなく、該固体表面から分子イオン又は多価分子イオンとして放出させることが可能なレーザに係る強度或いは光強度を意味し、この値は、固体表面の材質に固有の値となる。尚、分子は、複数の原子が結合してできており、外部から分子にエネルギー(熱、電場等)を与え、結合を切ることを「解離」と言う。但し、本発明で、「光強度」というパラメータに対する条件付けは、独立に要求される必要はなく、上述したアブレーション閾値フルーエンスに係る条件が決まれば、レーザ強度(光強度)=フルーエンス/パルス幅なる関係式より、フルーエンスに従属して決められる。そして、このようなフェムト秒レーザの照射に応じて試料表面から脱離される分子イオン(即ち、分子構造を保ったままのイオン或いは多価イオン)が、分析手段によって分析される。分析手段は、例えばイオン検出型分析装置である。   In the present invention, in particular, the femtosecond laser irradiated by the irradiation means in this manner is a laser that causes nonthermal desorption ionization on the sample surface. The femtosecond laser irradiated in the present invention is a “low fluence high intensity laser pulse” having a low fluence and a high light intensity. Here, the “high intensity” or “high light intensity” of the laser according to the present invention refers to the irradiation of a femtosecond laser onto a solid surface, so that molecular ions or multiple ions can be emitted from the solid surface without dissociating the material on the solid surface. This means the intensity or light intensity of the laser that can be emitted as valence molecular ions, and this value is specific to the material of the solid surface. A molecule is formed by bonding a plurality of atoms, and applying energy (heat, electric field, etc.) to the molecule from the outside to break the bond is called “dissociation”. However, in the present invention, the condition for the parameter “light intensity” does not have to be required independently, and if the conditions related to the ablation threshold fluence described above are determined, the relationship of laser intensity (light intensity) = fluence / pulse width. From the formula, it is determined depending on the fluence. Then, molecular ions that are desorbed from the sample surface in response to irradiation with such a femtosecond laser (that is, ions that maintain the molecular structure or multivalent ions) are analyzed by the analyzing means. The analysis means is, for example, an ion detection type analyzer.

従って、(i)高フルーエンスのレーザ照射によって又は(ii)フェムト秒レーザではなく衝突緩和時間よりも長いパルスのレーザ照射によって、固体表面における熱的なイオン化を招くことなく或いは加熱による溶融や破壊を招くことなく、原子・分子レベルで剥離或いは脱離イオン化を行うことができる。即ち、超微量の分子イオンを試料表面から脱離させることが可能となる。この際、低フルーエンスであって且つフェムト秒レーザという極短いパルスを用いることで、非熱的なイオン放出現象(或いは、イオン生成に係る脱離イオン化現象)が試料表面で起き、該試料表面が加熱されることなく、原子・分子レベルでの剥離が可能となるのである。尚、本発明において「原子・分子レベル」とは、例えば原子1個や原子数個、或いは原子十数個から数十個といった、試料表面付近におけるナノオーダやサブナノオーダの範囲或いは単位を示す。   Therefore, (i) high fluence laser irradiation or (ii) laser irradiation with a pulse longer than the collision relaxation time rather than a femtosecond laser does not cause thermal ionization on the solid surface, or melting or destruction by heating. Separation or desorption ionization can be performed at the atomic / molecular level without incurring. That is, it becomes possible to desorb a very small amount of molecular ions from the sample surface. At this time, by using an extremely short pulse of a low fluence and a femtosecond laser, a non-thermal ion emission phenomenon (or desorption ionization phenomenon related to ion generation) occurs on the sample surface. Separation at the atomic and molecular level is possible without being heated. In the present invention, the “atomic / molecular level” indicates a range or unit of nano-order or sub-nano-order near the sample surface, for example, one atom, several atoms, or several dozen to several tens of atoms.

本願発明の研究によれば、このような非熱的なデソープションイオン化という現象は、低フルーエンス領域においてフェムト秒レーザが照射されると、試料表面で材料の解離現象が殆ど発生することなくイオン化現象が発生することによると考察され、この際、例えば多価イオン化現象としての3光子吸収過程が、試料表面におけるデソープションイオン化の要因として顕著に又は完全に支配的となっていると考察される。本来、フェムト秒レーザよりもパルス幅(照射時間)が長いレーザで物質を励起(イオン化・デソープション)する場合には、試料の熱的な緩和が不可欠となるので、MALDI法の如きマトリックス剤が存在しない場合、熱的な反応が誘起され試料分子が壊れてしまう。即ち、非破壊的な質量分析等が困難或いは殆ど不可能となる。これに対して、フェムト秒レーザを集光照射して入る場合には、試料に吸収がない波長領域の光を照射しても、ある一定以上の光強度であるなら、試料を解離することなく、試料を脱離イオン化することが可能となる。   According to the research of the present invention, such a phenomenon of non-thermal desorption ionization is performed when a femtosecond laser is irradiated in a low fluence region with almost no material dissociation phenomenon occurring on the sample surface. In this case, it is considered that, for example, the three-photon absorption process as a multivalent ionization phenomenon is remarkably or completely dominant as a factor of desorption ionization on the sample surface. The Originally, when a substance is excited (ionization / desorption) with a laser having a longer pulse width (irradiation time) than a femtosecond laser, thermal relaxation of the sample is indispensable, so a matrix agent such as the MALDI method is used. If is not present, a thermal reaction is induced and the sample molecules are broken. That is, non-destructive mass spectrometry is difficult or almost impossible. On the other hand, when the femtosecond laser is focused and irradiated, even if the sample is irradiated with light in a wavelength region where there is no absorption, if the light intensity is above a certain level, the sample is not dissociated. The sample can be desorbed and ionized.

より詳細には、(1)試料が金属試料である場合、上述の如き本発明に係る“低フルーエンス高強度フェムト秒レーザ”における光強度を制御して照射することにより、デソープションイオン化を引き起こし、多価イオンがかなり選択的に生成する。アブレーション閾値との対応付けも可能となる。即ち、金属試料の場合には、多価イオン放出現象が観測される。但し、金属試料の他にも、例えば化合物試料の場合にも、多価イオン放出現象が観測される。(2)試料が化学試料である場合、上述の如き本発明に係る“低フルーエンス高強度フェムト秒レーザ”における光強度を制御して照射することにより、分子イオン(1価イオン)が効率良く生成される。分子多価イオンも観測される。分子の解離は、非常に少ない。(3)試料が生体試料である場合、上述の如き本発明に係る“低フルーエンス高強度フェムト秒レーザ”における光強度を制御して照射することにより、分子イオンが観測され、顕著な解離イオンは見られない。   More specifically, (1) when the sample is a metal sample, desorption ionization is caused by irradiating with the light intensity controlled in the “low fluence high intensity femtosecond laser” according to the present invention as described above. Multivalent ions are produced fairly selectively. Correlation with the ablation threshold value is also possible. That is, in the case of a metal sample, a multivalent ion release phenomenon is observed. However, in addition to the metal sample, for example, in the case of a compound sample, a multivalent ion release phenomenon is observed. (2) When the sample is a chemical sample, molecular ions (monovalent ions) are efficiently generated by controlling the light intensity in the “low-fluence high-intensity femtosecond laser” according to the present invention as described above. Is done. Molecularly multiply charged ions are also observed. There is very little molecular dissociation. (3) When the sample is a biological sample, molecular ions are observed by irradiating while controlling the light intensity in the “low fluence high intensity femtosecond laser” according to the present invention as described above. can not see.

そこで、本発明のレーザ分析装置では、試料表面の材質(即ち、金属試料、化学試料、生体試料等の別)に応じて、低フルーエンス高強度フェムト秒レーザに係るレーザ強度、波長及びパルス幅を制御することにより、デソープションイオン化を達成することとしている。これにより、フルーエンスを低フルーエンス領域内に収め、レーザ強度をアブレーション閾値近傍に制御することで、イオン化に伴う解離反応の抑制が可能となる。   Therefore, in the laser analyzer of the present invention, the laser intensity, wavelength and pulse width of the low fluence high intensity femtosecond laser are set according to the material of the sample surface (that is, metal sample, chemical sample, biological sample, etc.). By controlling, desorption ionization is achieved. Thereby, the dissociation reaction accompanying ionization can be suppressed by placing the fluence in the low fluence region and controlling the laser intensity in the vicinity of the ablation threshold.

加えて、レーザイオン化法だけでなく多くの質量分析計におけるイオン化法に於いて、積極的に分子の解離(フラグメンテーション)を利用することがある。本発明において、例えば、レーザ強度を故意にアブレーション閾値近傍より強くすることにより、分子イオンのみならずフラグメントイオンを観測することも可能となる。フラグメントイオンの質量を観測することにより、分子量の比較的大きな分子(この場合、分子量1000以上)の構造についての情報を得ることが可能となる。   In addition, not only laser ionization but also ionization in many mass spectrometers may actively utilize molecular fragmentation. In the present invention, for example, it is possible to observe not only molecular ions but also fragment ions by intentionally increasing the laser intensity beyond the vicinity of the ablation threshold. By observing the mass of the fragment ion, it is possible to obtain information on the structure of a molecule having a relatively large molecular weight (in this case, a molecular weight of 1000 or more).

以上のように本発明のレーザ分析装置によれば、非熱的なデソープションイオン化を起こさせるためのレーザ照射によって、比較的容易にして、原子・分子レベルでの剥離によって、試料表面から非破壊的に微量の分子イオンを脱離させられるので、質量分析等の超微量分析が可能となる。特に、先述したMALDI法の如く、マトリックス剤の添加や混合を必要とせず或いは特殊な基板等を用いることなく、生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料等の試料を殆ど又は実践的な意味では全く傷めることなく、そのまま微量分析できるので、実践上大変有利である。即ち、極めて迅速且つ効率的な超微量分析が可能である。加えて、復元力に優れた生体試料については、生物的に瞬時に復元する程度の超微量な分子イオンの脱離によって、当該分析が可能となるので、一段と有利である。   As described above, according to the laser analyzer of the present invention, the laser irradiation for causing non-thermal desorption ionization is relatively easy and non-detached from the sample surface by peeling at the atomic / molecular level. Since trace amounts of molecular ions can be destructively desorbed, ultra-trace analysis such as mass spectrometry becomes possible. In particular, as in the MALDI method described above, almost no sample such as a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, or a compound sample is required without adding a matrix agent or mixing, or without using a special substrate. In a practical sense, it can be analyzed as it is without any damage, which is very advantageous in practice. That is, extremely rapid and efficient ultra-trace analysis is possible. In addition, a biological sample having excellent resilience can be analyzed by desorption of a very small amount of molecular ions that can be instantaneously restored biologically, which is further advantageous.

加えて、非破壊的に超微量の分子イオンの脱離による分析であり、特にMALDI法と比べてマトリックス剤を使用しないために、試料組成の分布を静的/動的に観測できる点で格段に有利である。即ち、試料の局所的組成分布をレーザ照射領域程度の分解能によって観測できる点においても、本発明は大変優れている。生体試料における動的分布過程を分析する際にも、極めて有利となる。更にまた、当該分析に係る位置分解能についても、レーザの波長程度の分解能が容易に得られる。   In addition, the analysis is based on the desorption of a very small amount of molecular ions in a non-destructive manner. In particular, since no matrix agent is used compared to the MALDI method, the distribution of the sample composition can be observed statically / dynamically. Is advantageous. That is, the present invention is also excellent in that the local composition distribution of the sample can be observed with a resolution of about the laser irradiation region. It is extremely advantageous when analyzing a dynamic distribution process in a biological sample. Furthermore, the position resolution related to the analysis can be easily obtained as much as the wavelength of the laser.

本発明のレーザ分析装置によれば、このように非破壊的に試料をそのまま分析できるので、医療、創薬、遺伝子治療関連分野、半導体産業等の各種技術分野において、幅広い応用が可能となる。   According to the laser analysis apparatus of the present invention, a sample can be analyzed as it is in a non-destructive manner, so that it can be widely applied in various technical fields such as medicine, drug discovery, gene therapy-related fields, and the semiconductor industry.

本発明のレーザ分析装置の一態様では、前記分析手段は、前記脱離された分子イオンの質量を分析する質量分析手段を含む。   In one aspect of the laser analyzer of the present invention, the analyzing means includes a mass analyzing means for analyzing the mass of the desorbed molecular ions.

この態様によれば、フェムト秒レーザの照射に応じて試料表面から脱離される分子イオンが、質量分析手段によって分析される。即ち、各種形状や各種形態の試料について、非破壊的な質量分析をそのまま行うことができ、実践上大変有利である。   According to this aspect, the molecular ions desorbed from the sample surface in response to the irradiation with the femtosecond laser are analyzed by the mass analyzing means. That is, nondestructive mass spectrometry can be performed as it is on samples of various shapes and forms, which is very advantageous in practice.

この態様では、前記質量分析手段は、前記脱離された分子イオンの濃度を検出する濃度検出手段を含むように構成してもよい。   In this aspect, the mass spectrometry means may include a concentration detection means for detecting the concentration of the desorbed molecular ions.

このように構成すれば、既存のイオン濃度検出装置等の濃度検出手段を採用することで、本発明のレーザ分析装置を比較的安価に構築することも可能となる。   If comprised in this way, it will also become possible to construct | assemble the laser analyzer of this invention comparatively cheaply by employ | adopting concentration detection means, such as the existing ion concentration detection apparatus.

本発明のレーザ分析装置の他の態様では、前記照射手段は、マトリックス剤が混合されていない状態にある前記試料表面に対して、前記フェムト秒レーザを照射する。   In another aspect of the laser analyzer of the present invention, the irradiation means irradiates the femtosecond laser onto the sample surface in a state where the matrix agent is not mixed.

この態様によれば、マトリックス剤を全く不要としつつ試料表面から脱離される分子イオンを分析できるので、従来のMALDI法と比較して、分析の手間等の上で著しく有利である。   According to this aspect, molecular ions desorbed from the sample surface can be analyzed while eliminating the need for a matrix agent at all, which is extremely advantageous in terms of labor of analysis as compared with the conventional MALDI method.

本発明のレーザ分析装置の他の態様では、前記フェムト秒レーザの光強度は、前記フェムト秒レーザに起因したレーザ電場によるトンネルイオン化過程と非共鳴多光子吸収過程とによって前記試料表面から前記分子イオンが脱離される値に設定される。   In another aspect of the laser analysis apparatus of the present invention, the light intensity of the femtosecond laser is determined from the surface of the sample by a tunnel ionization process by a laser electric field and a nonresonant multiphoton absorption process caused by the femtosecond laser. Is set to a value to desorb.

この態様によれば、フェムト秒レーザの光強度が、トンネルイオン化過程と非共鳴多光子吸収過程とを引き起こす値に設定されているので、極めて効率良く非熱的且つ非破壊的に試料表面から分子イオンを脱離させることが可能となる。よって極めて効率良く試料分析を実施可能となる。尚、既に述べたように「光強度」というパラメータに対する条件付けは、独立に要求される必要はなく、上述したアブレーション閾値フルーエンスに係る条件が決まれば、これに従属して決められる。   According to this aspect, since the light intensity of the femtosecond laser is set to a value that causes the tunnel ionization process and the nonresonant multiphoton absorption process, molecules from the surface of the sample can be extremely efficiently and non-destructively generated. Ions can be desorbed. Therefore, sample analysis can be performed very efficiently. As described above, the condition for the parameter “light intensity” does not need to be independently requested. If the condition relating to the ablation threshold fluence described above is determined, it is determined depending on this.

本発明のレーザ分析装置の他の態様では、前記試料表面は、生体試料又は固体試料の表面からなり、前記照射手段は、前記試料表面から前記分子イオンを非破壊的に脱離させる。   In another aspect of the laser analysis apparatus of the present invention, the sample surface is a surface of a biological sample or a solid sample, and the irradiation unit desorbs the molecular ions from the sample surface in a nondestructive manner.

この態様によれば、生体試料又は固体試料を、非破壊的に試料分析できるので、各種の応用技術分野において、実践上大変有益なレーザ分析装置を実現できる。   According to this aspect, since a biological sample or a solid sample can be analyzed nondestructively, a laser analyzer that is very useful in practice in various application technical fields can be realized.

本発明のレーザ分析装置の他の態様では、前記試料表面は、生体試料の表面からなり、前記分析手段は、前記試料表面における前記分子イオンの動的分布過程を検出する検出手段を含む。   In another aspect of the laser analysis apparatus of the present invention, the sample surface comprises a surface of a biological sample, and the analysis means includes detection means for detecting a dynamic distribution process of the molecular ions on the sample surface.

この態様によれば、生体試料における動的分布過程についての分析が可能となるので、各種の応用技術分野において、実践上大変有益なレーザ分析装置を実現できる。例えば、細胞における一端と他端とに係る、或いは表側と裏側とに係る動的分布過程についての分析が可能となる。   According to this aspect, since it is possible to analyze the dynamic distribution process in the biological sample, it is possible to realize a laser analyzer that is very useful in practice in various applied technical fields. For example, it is possible to analyze the dynamic distribution process related to one end and the other end of the cell, or the front side and the back side.

本発明のレーザ分析装置の他の態様では、前記試料表面を有する試料を、前記照射手段が前記フェムト秒レーザを照射可能なように収容すると共に、前記脱離された分子イオンを加速するイオン加速器と、前記加速された分子イオンを前記分析手段に導く真空容器とを更に備える。   In another aspect of the laser analysis apparatus of the present invention, an ion accelerator that accommodates a sample having the sample surface so that the irradiation means can irradiate the femtosecond laser and accelerates the desorbed molecular ions. And a vacuum vessel for guiding the accelerated molecular ions to the analyzing means.

この態様によれば、イオン加速器に収容された試料の試料表面に対して、フェムト秒レーザを照射すれば、その照射によって脱離した分子イオンを、イオン加速器により、すぐさま加速できる。更に、このように加速された分子イオンを、真空容器により質量分析装置等の分析手段に導くことによって、超微量の分子イオンに基づいて比較的高精度の分析が可能となる。特に、イオン加速器を用いれば、電界によって軽い分子イオンは加速され易いのに対して重い分子イオンは加速され難く、また分子イオンの価数が多いと加速され易いのに対して価数が少ないと加速され難い等の性質に基づいて、質量分析等を行なうことが可能となる。   According to this aspect, if the sample surface of the sample accommodated in the ion accelerator is irradiated with a femtosecond laser, the molecular ions desorbed by the irradiation can be immediately accelerated by the ion accelerator. Further, by guiding the molecular ions thus accelerated to an analysis means such as a mass spectrometer using a vacuum vessel, it is possible to perform comparatively high-precision analysis based on an extremely small amount of molecular ions. In particular, if an ion accelerator is used, light molecular ions are easily accelerated by an electric field, whereas heavy molecular ions are difficult to accelerate. Mass spectrometry and the like can be performed based on properties such as being hardly accelerated.

本発明のレーザ分析方法は上記課題を解決するために、試料表面に照射されることで前記試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こす、該試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザを、前記試料表面に対して照射する照射工程と、前記照射されたフェムト秒レーザに応じて前記試料表面から脱離される分子イオンを、分析する分析工程とを備える。   In order to solve the above problems, the laser analysis method of the present invention causes non-thermal desorption / ionization on the sample surface by irradiating the sample surface, and in the low fluence region according to the material of the sample surface. An irradiation step of irradiating the sample surface with a femtosecond laser; and an analysis step of analyzing molecular ions desorbed from the sample surface in response to the irradiated femtosecond laser.

本発明のレーザ分析方法によれば、照射工程により照射されるフェムト秒レーザは、試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こすレーザとされており、該フェムト秒レーザの照射に応じて試料表面から脱離される分子イオンが、分析工程によって分析される。従って、上述した本発明のレーザ分析装置の場合と同様に、非熱的なデソープションイオン化を起こさせるためのレーザ照射によって、比較的容易にして、原子・分子レベルでの剥離によって、試料表面から非破壊的に微量の分子イオンを脱離させられるので、質量分析等の超微量分析が可能となる。特に、先述したMALDI法の如く、マトリックス剤の添加や混合を必要とせず或いは特殊な基板等を用いることなく、生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料等の試料を殆ど又は実践的な意味では全く傷めることなく、そのまま微量分析できるので、実践上大変有利である。   According to the laser analysis method of the present invention, the femtosecond laser irradiated in the irradiation step is a laser that causes non-thermal desorption ionization on the sample surface, and the sample surface in accordance with the irradiation of the femtosecond laser The molecular ions desorbed from are analyzed by an analysis process. Accordingly, as in the case of the laser analyzer of the present invention described above, the surface of the sample can be made relatively easy by laser irradiation for causing nonthermal desorption ionization, and peeled off at the atomic / molecular level. Since trace amounts of molecular ions can be desorbed nondestructively, ultra-trace analysis such as mass spectrometry becomes possible. In particular, as in the MALDI method described above, almost no sample such as a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, or a compound sample is required without adding a matrix agent or mixing, or without using a special substrate. In a practical sense, it can be analyzed as it is without any damage, which is very advantageous in practice.

尚、本発明のレーザ分析方法においても、上述した本発明のレーザ分析装置における各種態様と同様の態様を適宜採用可能である。   In the laser analysis method of the present invention, the same aspects as the various aspects of the laser analysis apparatus of the present invention described above can be adopted as appropriate.

本発明のレーザ分析装置の一の態様では、前記試料表面の材質に応じて、前記フェムト秒レーザに係る照射フルーエンスの値を、前記低フルーエンス領域内で設定する設定工程を更に備え、前記照射工程は、前記試料表面に対して前記設定された照射フルーエンスの値で前記フェムト秒レーザを照射する。   In one aspect of the laser analyzer of the present invention, the irradiation step further includes a setting step of setting an irradiation fluence value related to the femtosecond laser in the low fluence region according to the material of the sample surface. Irradiates the femtosecond laser with the set irradiation fluence value on the sample surface.

この態様によれば、設定工程では、試料表面の材質に応じて、当該試料表面に対して照射するフェムト秒レーザに係る照射フルーエンスの値が設定される。例えば、アブレーション率に換算して0.01nm/shot(ナノメートル/ショット、但し「ショット」とは、レーザパルスの一回の照射を意味する)程度といった、原子・分子レベルでの、即ち、非常に浅い剥離深さが、試料の性質上好ましい場合であれば、照射フルーエンスの値は、例えば0.1J/cmに設定される。そして、照射工程では、このように設定工程で設定された照射フルーエンスの値で、フェムト秒レーザが固体表面に対して照射される。従って、試料表面における熱的なイオン化を招くことなく或いは加熱による溶融や破壊を招くことなく、原子・分子レベルで剥離或いはアブレーションを行うことができる。According to this aspect, in the setting step, the value of the irradiation fluence related to the femtosecond laser that irradiates the sample surface is set according to the material of the sample surface. For example, in terms of the ablation rate, 0.01 nm / shot (nanometer / shot, where “shot” means one irradiation of a laser pulse), ie, at the atomic / molecular level, If a shallow peeling depth is preferable in terms of the properties of the sample, the value of the irradiation fluence is set to 0.1 J / cm 2 , for example. In the irradiation process, the solid surface is irradiated with the femtosecond laser at the irradiation fluence value set in the setting process. Therefore, peeling or ablation can be performed at the atomic / molecular level without causing thermal ionization on the sample surface or causing melting or destruction by heating.

尚、試料表面の材質に応じて、フェムト秒レーザの光強度、波長等の他のパラメータを調整・制御することも可能である。例えば、試料表面の局所における光強度を相対的に強くしつつ、試料表面の全域については焼けない程度に低いフルーエンスで照射してもよい。   Depending on the material of the sample surface, other parameters such as the light intensity and wavelength of the femtosecond laser can be adjusted and controlled. For example, the entire surface of the sample surface may be irradiated with a fluence that is low enough to prevent burning while relatively increasing the light intensity at the local surface of the sample surface.

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。   Such an operation and other advantages of the present invention will become apparent from the embodiments described below.

本発明の実施形態に係るレーザ分析装置のうち試料及び検出部付近における構成を具体的に示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows concretely the composition near a sample and a detection part among laser analyzers concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るレーザ分析装置の全体構成を図式的に示すブロック図である。1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a laser analyzer according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る極短パルスレーザ(即ち、フェムト秒レーザ)の波形特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the waveform characteristic of the ultra-short pulse laser (namely, femtosecond laser) which concerns on embodiment of this invention. 実施形態に係るレーザ分析装置における各種パラメータや各種機材等に係る条件の一例を示す表である。It is a table | surface which shows an example of the conditions which concern on various parameters, various equipment, etc. in the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置内における、レーザ光源装置及び検証用のCCDカメラ等の光学配置を示すブロック図であるIt is a block diagram which shows optical arrangement | positionings, such as a laser light source device and a CCD camera for verification, in the laser analyzer according to the embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって得られる照射フルーエンスとアブレーション率との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the irradiation fluence obtained by the laser analyzer which concerns on embodiment, and an ablation rate. 実施形態に係るレーザ分析装置によって得られるレーザパルス幅とアブレーション閾値との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the laser pulse width obtained by the laser analyzer which concerns on embodiment, and an ablation threshold value. 実施形態に係るレーザ分析装置によって検出されるイオン信号強度を時間軸(横軸)に対して示す特性図(その1)である。It is a characteristic view (the 1) which shows the ion signal intensity detected with the laser analyzer concerning an embodiment to a time axis (horizontal axis). 実施形態に係るレーザ分析装置によって検出されるイオン信号強度を時間軸(横軸)に対して示す特性図(その2)である。It is a characteristic view (the 2) which shows the ion signal strength detected with the laser analyzer concerning an embodiment to a time axis (horizontal axis). 実施形態に係るレーザ分析装置によって検出されるイオン信号強度を時間軸(横軸)に対して示す特性図(その3)である。It is a characteristic view (the 3) which shows the ion signal strength detected by the laser analyzer concerning an embodiment to a time axis (horizontal axis). Cu(銅)についての温度と分布密度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the temperature and distribution density about Cu (copper). 実施形態に係るレーザ分析装置によって得られるCuについての入射レーザエネルギとイオン信号強度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the incident laser energy and ion signal intensity | strength about Cu obtained by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置による試料表面のデソープションイオン化の概念図である。It is a conceptual diagram of the desorption ionization of the sample surface by the laser analyzer which concerns on embodiment. 比較例に係るレーザ分析装置による試料表面のデソープションイオン化の概念図である。It is a conceptual diagram of the desorption ionization of the sample surface by the laser analyzer which concerns on a comparative example. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、ホスファチジルコリン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the time change of the ion signal intensity detected when the phosphatidylcholine molecule is used as a sample by the laser analyzer according to the embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、コロネン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その1)である。It is a characteristic view (the 1) which shows the time change of the ion signal strength detected when a coronene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、コロネン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その2)である。It is a characteristic view (the 2) which shows the time change of the ion signal strength detected when a coronene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、コロネン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その3)である。It is a characteristic view (the 3) which shows the time change of the ion signal strength detected when a coronene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、コロネン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その4)である。It is a characteristic view (the 4) which shows the time change of the ion signal strength detected when a coronene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、フラーレン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その1)である。It is a characteristic view (the 1) which shows the time change of the ion signal strength detected when a fullerene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、フラーレン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その2)である。It is a characteristic view (the 2) which shows the time change of the ion signal strength detected when a fullerene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、フラーレン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その3)である。It is a characteristic view (the 3) which shows the time change of the ion signal intensity detected when the fullerene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ分析装置によって、フラーレン分子を試料とした場合に検出されるイオン信号強度の時間変化を示す特性図(その4)である。It is a characteristic view (the 4) which shows the time change of the ion signal strength detected when a fullerene molecule is made into the sample by the laser analyzer which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

2…レーザ分析装置
10…制御装置
11…レーザ光源装置
12…集光レンズ
13…ターゲット(試料)
16…検出装置
101…イオン加速器
102…真空容器
2 ... Laser analyzer 10 ... Controller 11 ... Laser light source device 12 ... Condensing lens 13 ... Target (sample)
16 ... Detection device 101 ... Ion accelerator 102 ... Vacuum container

以下では、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

先ず図1及び図2を参照して、レーザ分析装置の構成について説明する。ここに図1は、本実施形態に係るレーザ分析装置のうち試料及び検出部付近における構成を具体的に示しており、図2は、本実施形態に係るレーザ分析装置の全体構成を図式的に示す。   First, the configuration of the laser analyzer will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 specifically shows the configuration in the vicinity of the sample and the detection unit in the laser analyzer according to the present embodiment, and FIG. 2 schematically shows the overall configuration of the laser analyzer according to the present embodiment. Show.

図1において、レーザ分析装置2は、集光レンズ12、イオン加速器101、真空容器102及び検出装置16を備える。   In FIG. 1, the laser analyzer 2 includes a condenser lens 12, an ion accelerator 101, a vacuum container 102, and a detection device 16.

図2において、レーザ分析装置12は、図1に示した構成要素の他に、制御装置10及びレーザ光源装置11を備える。   In FIG. 2, the laser analyzer 12 includes a control device 10 and a laser light source device 11 in addition to the components shown in FIG. 1.

図1及び図2に示すように、集光レンズ12には、レーザ光源装置11から出射される低フルーエンスのフェムト秒レーザLBが、他の光学部品やレンズ等を介して入射される。集光レンズ12は、これを集光して、本発明に係る「試料表面」を有する試料の一例としてのターゲット13に向けて集光するように構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a low fluence femtosecond laser LB emitted from the laser light source device 11 is incident on the condenser lens 12 via another optical component, a lens, or the like. The condensing lens 12 is configured to condense the light toward a target 13 as an example of a sample having a “sample surface” according to the present invention.

レーザ光源装置11は、制御装置10による駆動制御を受けて、フェムト秒レーザLBを、集光レンズ12を介してターゲット13に向けて照射する。レーザ光源装置11は、制御装置10により、ターゲット13の材質に応じて、ターゲット13の表面を原子・分子レベルで或いは超微量だけ、非熱的に脱離イオン化(即ち、非熱的なデソープションイオン化)するように設定された照射フルーエンスの値で、フェムト秒レーザLBを発生するように構成されている。尚、制御装置10によって、ターゲット13の材質に応じて、フェムト秒レーザLBに係る照射フルーエンスの値に加えて又は代えてフェムト秒レーザLBに係る光強度の値が、ターゲット13の表面を原子・分子レベルで非熱的に脱離イオン化するように設定されてもよい。   The laser light source device 11 receives drive control by the control device 10 and irradiates the femtosecond laser LB toward the target 13 through the condenser lens 12. The laser light source device 11 is desorbed and ionized non-thermally (that is, non-thermal desorbed) by the control device 10 according to the material of the target 13 at the surface of the target 13 at the atomic / molecular level or in a very small amount. The femtosecond laser LB is generated with an irradiation fluence value set to ionize the ionization. In addition to the irradiation fluence value related to the femtosecond laser LB, or in place of the value of the light intensity related to the femtosecond laser LB, the control device 10 causes the surface of the target 13 It may be set so as to be dethermally ionized non-thermally at the molecular level.

制御装置10によるフェムト秒レーザLBに係るパラメータ設定については後に詳述する。   The parameter setting related to the femtosecond laser LB by the control device 10 will be described in detail later.

ターゲット13は、フェムト秒レーザLBを入射するための窓を有するイオン加速器101内に配置されている。但し、必ずしもこのようにイオン加速器101内に配置しなくてもよい。ターゲット13は、フェムト秒レーザLBの入射軸に対して、例えば45度といった、所定角度θだけ傾けられて配置されており(図2参照)、これによりターゲット13の表面から、脱離イオン化した分子イオンのイオン加速器101内への放出が良好に行なわれる。   The target 13 is disposed in an ion accelerator 101 having a window for entering the femtosecond laser LB. However, it does not necessarily have to be arranged in the ion accelerator 101 in this way. The target 13 is arranged to be inclined by a predetermined angle θ, for example, 45 degrees with respect to the incident axis of the femtosecond laser LB (see FIG. 2), thereby desorbed and ionized molecules from the surface of the target 13. Ions are discharged into the ion accelerator 101 satisfactorily.

イオン加速器101は、複数の電極を有しており、これらにより電界を発生させることで、ターゲット13の試料表面からフェムト秒レーザLBの照射に応じて脱離イオン化された分子イオンMを真空容器102の方に向けて(即ち図1中、左側に向けて)加速するように構成されている。The ion accelerator 101 includes a plurality of electrodes. By generating an electric field using these electrodes, molecular ions M + desorbed and ionized from the sample surface of the target 13 in accordance with the irradiation of the femtosecond laser LB are vacuum containers. It is configured to accelerate toward 102 (that is, toward the left side in FIG. 1).

真空容器102は、分子イオンの飛行時間を長めるように、即ち図1中、イオン飛跡LPが十分に長く取れるように、分子イオンMの飛行方向に延在する真空空間を内部に規定している。そして、真空容器102における、イオン加速器101に面する側には、検出装置16が、配置されている。図1中、イオン飛跡LPとして示したように、分子イオンMは、イオン加速器101による加速によって先ずは左側へ向けて飛行した後、真空容器102内で、飛行方向を逆向きに変え、検出装置16へ向けて飛行することになる。The vacuum vessel 102 internally defines a vacuum space extending in the flight direction of the molecular ions M + so as to increase the flight time of the molecular ions, that is, in FIG. 1, so that the ion track LP is sufficiently long. ing. And the detection apparatus 16 is arrange | positioned at the side which faces the ion accelerator 101 in the vacuum vessel 102. FIG. In FIG. 1, molecular ions M + are detected by changing the flight direction to the opposite direction in the vacuum vessel 102 after first flying toward the left side by acceleration by the ion accelerator 101 as indicated by the ion track LP. It will fly towards the device 16.

検出装置16は、例えば、真空容器102内を飛行した分子イオンMの濃度を時間に対して検出することで、該分子イオンMの質量を分析する飛行時間型質量分析装置からなる。CPU(Central Processing Unit)或いはシステムコントローラ等を備えてなる制御装置10には、検出装置16から分子イオンの質量の分析結果に係る検出情報が入力され、ここで検出情報が記録される。The detection device 16 includes, for example, a time-of-flight mass spectrometer that analyzes the mass of the molecular ion M + by detecting the concentration of the molecular ion M + that flew in the vacuum vessel 102 with respect to time. Detection information related to the analysis result of the molecular ion mass is input from the detection device 16 to the control device 10 including a CPU (Central Processing Unit) or a system controller, and the detection information is recorded here.

以上のように本実施形態では、レーザ光源装置11及び集光レンズ12は、本発明に係る「照射手段」の一例を構成しており、イオン加速器101、真空容器102及び検出装置16は、本発明に係る「分析手段」の一例を構成している。   As described above, in this embodiment, the laser light source device 11 and the condenser lens 12 constitute an example of the “irradiation means” according to the present invention, and the ion accelerator 101, the vacuum vessel 102, and the detection device 16 are It constitutes an example of “analyzing means” according to the invention.

尚、図1及び図2では説明の簡略化のため、光学系として、集光レンズ12が、フェムト秒レーザLBの光路に配置されているが、その他のレンズ、プリズム、ミラー、シャッター等が該光路に適宜配置されてもよく、更に、レーザ光源装置11内に、半導体レーザ装置等の各種レーザ装置と、各種レンズ、シャッター、偏光板、位相差板等の光学部品とが適宜組み込まれてもよい。   In FIGS. 1 and 2, for the sake of simplification of explanation, the condensing lens 12 is disposed in the optical path of the femtosecond laser LB as an optical system, but other lenses, prisms, mirrors, shutters, and the like are included in the optical system. The laser light source device 11 may be appropriately disposed in the optical path, and various laser devices such as a semiconductor laser device and optical components such as various lenses, shutters, polarizing plates, and retardation plates may be appropriately incorporated in the laser light source device 11. Good.

次に図3から図12を参照して、上述の如き構成を有するレーザ分析装置2における、フェムト秒レーザLBに係る照射フルーエンスの値の設定等について説明する。ここでは、照射フルーエンスの値と、ターゲット13の表面におけるアブレーション率(剥離深さに対応する)との関係を検証し、更に、ターゲット13の表面におけるアブレーション率が、低フルーエンス領域におけるフェムト秒レーザLBの照射フルーエンスの値によって、或いは光強度の値によって、調整・制御可能であることを検証する。尚、これらの検証に基づき、図1及び図2に示したレーザ分析装置2では、非熱的な脱離イオン化が超微量だけ行われるように照射フルーエンスの値等が設定されることになる。   Next, with reference to FIGS. 3 to 12, setting of the value of the irradiation fluence relating to the femtosecond laser LB in the laser analyzer 2 having the above-described configuration will be described. Here, the relationship between the value of the irradiation fluence and the ablation rate (corresponding to the peeling depth) on the surface of the target 13 is verified, and further, the ablation rate on the surface of the target 13 is a femtosecond laser LB in the low fluence region. It is verified that it can be adjusted and controlled by the irradiation fluence value or the light intensity value. Based on these verifications, in the laser analyzer 2 shown in FIGS. 1 and 2, the irradiation fluence value and the like are set so that only a very small amount of nonthermal desorption ionization is performed.

先ず図3を参照して、本実施形態で用いられる、極低フルーエンスであり且つ高強度であるフェムト秒レーザにおける特性について説明する。ここに、図3は、本実施形態に係る極短パルスレーザ(即ち、フェムト秒レーザ)の波形特性を示す。   First, the characteristics of the femtosecond laser having an extremely low fluence and high intensity used in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the waveform characteristics of the ultrashort pulse laser (ie, femtosecond laser) according to this embodiment.

図3に示すように、レーザ光源装置11によって照射される、極短パルスレーザ(即ち、フェムト秒レーザ)は、例えば、ターゲット13の材質に応じて、該材料を解離することなく非熱的なイオン化放出を引き起こす、低フルーエンスであって且つ高光強度である“低フルーエンス高強度レーザパルス”である。ここに本実施形態に係る「低フルーエンス」とは、後に詳述するように、1番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスF3,thと2番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスF2,thとの間にあるフルーエンスのことを意味する。また、本実施形態に係るレーザの「高強度」或いは「高光強度」とは、図3に例示した如き「アブレーション閾値レーザ強度」を超えるレーザ強度(光強度)のことを意味する。言い換えれば、「高強度」或いは「高光強度」とは、フェムト秒レーザを固体表面(ここでは、ターゲット13の表面)に照射することで、該固体表面の材料を解離することなく、分子イオン若しくは多価分子イオンとして放出させることが可能なレーザに係る強度或いは光強度を意味しており、この値は、固体表面(ここでは、ターゲット13の表面)の材質に固有の値となる。   As shown in FIG. 3, the ultrashort pulse laser (ie, femtosecond laser) irradiated by the laser light source device 11 is non-thermal without dissociating the material depending on the material of the target 13, for example. A “low fluence high intensity laser pulse” that is low fluence and high light intensity that causes ionized emission. Here, the “low fluence” according to the present embodiment is a fluence between the first smallest ablation threshold fluence F3, th and the second smallest ablation threshold fluence F2, th, as will be described in detail later. Means. The “high intensity” or “high light intensity” of the laser according to the present embodiment means a laser intensity (light intensity) exceeding the “ablation threshold laser intensity” as illustrated in FIG. In other words, “high intensity” or “high light intensity” means that a solid ion (here, the surface of the target 13) is irradiated with a femtosecond laser without dissociating the material on the solid surface. This means the intensity or light intensity of the laser that can be emitted as multivalent molecular ions, and this value is specific to the material of the solid surface (here, the surface of the target 13).

尚、一般に、「フルーエンス」の単位は、J/cmであり、「レーザ強度」或いは「光強度」の単位は、W/cm(即ち、J/s・cm)である。従って、レーザのフルーエンスとは、レーザのエネルギを照射面積で割ったものであり、レーザ強度(光強度)は、フルーエンスを、レーザのパルス幅(時間)で割ったものとなる。言い換えれば、レーザ強度(光強度)は、レーザのエネルギを、(照射面積×レーザのパルス幅)で割ったものとなる。よって、本実施形態において、レーザ強度或いは光強度の調整は、レーザのエネルギ、レーザの照射面積及びレーザのパルス幅を調整することにより行なわれる。但し、本実施形態では、「光強度」というパラメータに対する条件付けは、独立に要求されるものではなく、後述の如きアブレーション閾値フルーエンスF3,th〜F2,thに係る条件が満たされれば、これに従属して(即ち、レーザ強度(光強度)=フルーエンス/パルス幅なる関係式より)決定される性質のものである。In general, the unit of “fluence” is J / cm 2 , and the unit of “laser intensity” or “light intensity” is W / cm 2 (that is, J / s · cm 2 ). Accordingly, the fluence of the laser is obtained by dividing the energy of the laser by the irradiation area, and the laser intensity (light intensity) is obtained by dividing the fluence by the pulse width (time) of the laser. In other words, the laser intensity (light intensity) is obtained by dividing the laser energy by (irradiation area × laser pulse width). Therefore, in this embodiment, the laser intensity or the light intensity is adjusted by adjusting the laser energy, the laser irradiation area, and the laser pulse width. However, in the present embodiment, conditioning for the parameter “light intensity” is not required independently, and depends on this if the conditions relating to the ablation threshold fluences F3, th to F2, th as described later are satisfied. (Ie, from the relational expression laser intensity (light intensity) = fluence / pulse width).

図3では、エネルギが300μJであり且つパルス幅が100fsのレーザであって、集光レンズ12等によってターゲット13の表面で照射径が20μmに絞られている“低フルーエンス高強度レーザパルス”を示している。尚、本実施形態に係る「パルス幅(レーザパルス幅)」の定義としては、レーザ強度の時間波形を実験的に調べ、最大レーザ強度の半分になる時間を測定したものである。図3に例示したレーザパルスの場合、フルーエンスは、95J/cmと低いが(即ち、低フルーエンスであるが)、レーザ強度は、1015W/cmと極めて高い(即ち、高強度である)。因みにこのレーザは、東京電力の平成13年度における電力消費のピーク時における6430万kW(=6×1010W)を優に超えるパワーである。これは、フェムト秒レーザという極短パルスレーザの特徴の一つと言える。FIG. 3 shows a “low-fluence high-intensity laser pulse” which is a laser having an energy of 300 μJ and a pulse width of 100 fs, and whose irradiation diameter is reduced to 20 μm on the surface of the target 13 by the condenser lens 12 or the like. ing. The definition of “pulse width (laser pulse width)” according to this embodiment is obtained by experimentally examining the time waveform of the laser intensity and measuring the time that is half of the maximum laser intensity. In the case of the laser pulse illustrated in FIG. 3, the fluence is as low as 95 J / cm 2 (that is, low fluence), but the laser intensity is extremely high as 10 15 W / cm 2 (that is, high intensity). ). Incidentally, this laser has a power well exceeding 64.3 million kW (= 6 × 10 10 W) at the peak of TEPCO's 2001 power consumption. This is one of the characteristics of an ultrashort pulse laser called a femtosecond laser.

次に、図2に加えて図4及び図5を参照して、照射フルーエンスの値とアブレーション率との関係等を検証するため実験について更に説明する。ここに、図4は、図2に示したレーザ照射・分析装置に係る各種パラメータや各種機材等に係る条件の一例を示し、図5は、図2に示したレーザ照射・分析装置内における、レーザ光源装置及び検証用のCCD(Charged Coupled Device)カメラ等の光学配置を示す。尚、図5において、図1と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。   Next, with reference to FIGS. 4 and 5 in addition to FIG. 2, the experiment will be further described in order to verify the relationship between the value of irradiation fluence and the ablation rate. Here, FIG. 4 shows an example of conditions relating to various parameters and various equipment related to the laser irradiation / analysis apparatus shown in FIG. 2, and FIG. 5 shows the conditions in the laser irradiation / analysis apparatus shown in FIG. An optical arrangement of a laser light source device and a CCD (Charged Coupled Device) camera for verification is shown. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.

次に、図2に加えて図4及び図5を参照して、照射フルーエンスの値とアブレーション率との関係を検証するため実験について説明する。ここに、図4は、レーザ照射・分析装置に係る各種パラメータや各種機材等に係る条件の一例を示し、図5は、レーザ照射・分析装置内における、レーザ光源装置及び検証用のCCD(Charged Coupled Device)カメラ等の光学配置を示す。尚、図5において、図1と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。   Next, referring to FIGS. 4 and 5 in addition to FIG. 2, an experiment for verifying the relationship between the value of irradiation fluence and the ablation rate will be described. FIG. 4 shows an example of conditions relating to various parameters and various equipments related to the laser irradiation / analysis apparatus, and FIG. 5 shows a laser light source apparatus and a verification CCD (Charged) in the laser irradiation / analysis apparatus. Coupled Device) Indicates the optical arrangement of a camera or the like. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.

図4の一覧表に例示した如くに、レーザ分析装置2では、各種パラメータや各種機材、ターゲット13に係る諸条件が設定される。即ち、ターゲット13としては、金属サンプルCu、Al、Fe、…等が選択され、そのサイズ等が、5×5cm等とされる。また、フェムト秒レーザLBとしては、波長等が800nm(ナノメートル)等とされる。特に光強度(エネルギ)は、0.21〜600μJの間で可変とされ、これに伴い、照射フルーエンスは、10mJ/cm〜28J/cmの間で可変とされる。As illustrated in the list of FIG. 4, in the laser analyzer 2, various parameters, various equipment, and various conditions relating to the target 13 are set. That is, as the target 13, a metal sample Cu, Al, Fe,... Is selected, and its size is set to 5 × 5 cm. The femtosecond laser LB has a wavelength of 800 nm (nanometer) or the like. In particular, the light intensity (energy) is variable between 0.21 and 600 μJ, and accordingly, the irradiation fluence is variable between 10 mJ / cm 2 and 28 J / cm 2 .

図5に示すように、レーザ分析装置2内には、レーザ光源装置11に加えて、図2には不図示である、ターゲット13の表面を撮像するためCCDカメラ31等が光学系に組み込まれている。尚、図5では、図2に示した検出装置16、制御装置10等の他の構成要素は、省略してある。   As shown in FIG. 5, in addition to the laser light source device 11, a CCD camera 31 and the like, which are not shown in FIG. 2, are incorporated in the optical system in order to take an image of the surface of the target 13. ing. In FIG. 5, other components such as the detection device 16 and the control device 10 shown in FIG. 2 are omitted.

図5において、レーザ光源装置11は、非熱的なアブレーションを引き起こさせるためのフェムト秒レーザLfsを発生させるフェムト秒レーザ光源装置(fs laser)11aと、光学的なアラインメント用のレーザLaを発生させるヘリウム−ネオンガスレーザ光源(He−Ne laser)11bとを含む。フェムト秒レーザLfsは、ミラー21を経た後に、レーザLaは、偏光状態制御用の光学板25及びミラー26を経た後に、ハーフミラー(ダイクロイックミラー)22のところで合成され、同一光路上のレーザLBとされる。更に、レーザLBは、ハーフミラー(ダイクロイックミラー)34へ到達する。レーザLBのうちフェムト秒レーザLfsは、ハーフミラー34で反射され、集光レンズ12を介して、ターゲット13たる金属サンプルの表面に照射される。他方で、レーザLBのうちアラインメント用のレーザLaは、ハーフミラー34を透過して、アラインメント用に用いられる。そして、フェムト秒レーザLfsによりアブレーションされる金属サンプルの表面の様子は、集光レンズ12、ハーフミラー34、レンズ33、ミラー32を経てCCDカメラ31に至る反射光Lrを受光することで、CCDカメラ31によって、撮像される。   In FIG. 5, a laser light source device 11 generates a femtosecond laser light source device (fs laser) 11a that generates a femtosecond laser Lfs for causing non-thermal ablation, and a laser La for optical alignment. Helium-neon gas laser light source (He-Ne laser) 11b. The femtosecond laser Lfs passes through the mirror 21, the laser La passes through the optical plate 25 for controlling the polarization state and the mirror 26, and is then synthesized at the half mirror (dichroic mirror) 22 to be combined with the laser LB on the same optical path. Is done. Further, the laser LB reaches a half mirror (dichroic mirror) 34. Of the lasers LB, the femtosecond laser Lfs is reflected by the half mirror 34 and irradiated onto the surface of the metal sample as the target 13 via the condenser lens 12. On the other hand, the alignment laser La among the lasers LB passes through the half mirror 34 and is used for alignment. The state of the surface of the metal sample that is ablated by the femtosecond laser Lfs is reflected by the reflected light Lr that reaches the CCD camera 31 through the condenser lens 12, the half mirror 34, the lens 33, and the mirror 32. 31 is used to capture an image.

次に図6から図12を参照して、上述の如きレーザ分析装置2によって得られる、照射フルーエンスとアブレーション率との関係、特にこの関係を示す特性曲線上で識別される、三つのアブレーション閾値フルーエンス、及びこれらの閾値によって規定される新規なアブレーション物理を示す低フルーエンス領域について説明する。ここに、図6は、レーザ分析装置2によって得られる照射フルーエンスとアブレーション率との関係を示し、図7は、レーザ分析装置2によって得られるレーザパルス幅とアブレーション閾値(アブレーション閾値フルーエンス)との関係を示す。図8から図10は夫々、レーザ分析装置2によって検出されるイオン信号強度を時間軸(横軸)に対して示す。図11は、Cu(銅)についての温度と分布密度との関係を示し、図12は、レーザ分析装置2によって得られるCuについての入射レーザエネルギとイオン信号強度との関係を示す。   Next, referring to FIG. 6 to FIG. 12, the relationship between the irradiation fluence and the ablation rate obtained by the laser analyzer 2 as described above, in particular, three ablation threshold fluences identified on the characteristic curve indicating this relationship. , And the low fluence region showing the new ablation physics defined by these thresholds. 6 shows the relationship between the irradiation fluence obtained by the laser analyzer 2 and the ablation rate, and FIG. 7 shows the relationship between the laser pulse width obtained by the laser analyzer 2 and the ablation threshold (ablation threshold fluence). Indicates. 8 to 10 show the ion signal intensity detected by the laser analyzer 2 with respect to the time axis (horizontal axis), respectively. FIG. 11 shows the relationship between temperature and distribution density for Cu (copper), and FIG. 12 shows the relationship between incident laser energy and ion signal intensity for Cu obtained by the laser analyzer 2.

図2から図5を参照して説明したレーザ分析装置2を用いると、図6に例示した如き照射フルーエンス(レーザ照射フルーエンス(J/cm))とアブレーション率(nm/shot)との関係が得られる。但し、ここでは、ターゲット13をCu(銅)とし、フェムト秒レーザFfsの波長を800nmとし、パルス幅を70fs(フェムト秒)としており、その他の諸条件については、図4に例示した通りとしてある。When the laser analyzer 2 described with reference to FIGS. 2 to 5 is used, the relationship between the irradiation fluence (laser irradiation fluence (J / cm 2 )) and the ablation rate (nm / shot) as illustrated in FIG. can get. Here, the target 13 is Cu (copper), the wavelength of the femtosecond laser Ffs is 800 nm, the pulse width is 70 fs (femtosecond), and other conditions are as illustrated in FIG. .

図6に示すように、黒丸で示した離散的な実験データ(experimental data)によれば、照射フルーエンスとアブレーション率との関係を示す特性曲線には、三つのアブレーション閾値フルーエンスとして、小さい順に、アブレーション閾値フルーエンスF3,th(=0.018J/cm)、F2,th(=0.18J/cm)及びF1,th(=0.25J/cm)が存在しているのが確認される。As shown in FIG. 6, according to the discrete experimental data indicated by black circles, the characteristic curve indicating the relationship between irradiation fluence and ablation rate has three ablation threshold fluences in ascending order of ablation. It is confirmed that threshold fluences F3, th (= 0.018 J / cm 2 ), F2, th (= 0.18 J / cm 2 ) and F1, th (= 0.25 J / cm 2 ) exist. .

ここで「アブレーション率」は、1レーザパルス当りのターゲット13の表面に形成されるクレータの深さ(剥離深さ)を意味し、次式(1)で表記される。   Here, “ablation rate” means the depth (peeling depth) of the crater formed on the surface of the target 13 per laser pulse, and is expressed by the following equation (1).

L=α―1ln(F/Fth) …(1)
但し、
α―1:光侵入長(cm)、
F:照射フルーエンス(J/cm
従って、この式(1)から、上述した三つのアブレーション閾値フルーエンスFth(F3,th、F2,th、F1,th)は夫々、L=0なる照射フルーエンスFから評価されることになる。
L = α −1 ln (F / Fth) (1)
However,
α -1 : light penetration length (cm),
F: Irradiation fluence (J / cm 2 )
Therefore, from the equation (1), the three ablation threshold fluences Fth (F3, th, F2, th, F1, th) described above are evaluated from the irradiation fluence F where L = 0.

より一般には、レーザの空間プロファイルがガウス関数で表される場合、クレータの口径Γは、次式(2)で表記される。   More generally, when the laser spatial profile is expressed by a Gaussian function, the crater diameter Γ is expressed by the following equation (2).

Γ=a{ln(F/Fth)}0.5 …(2)
但し、a:入射されるレーザビームの径
従って、この場合には、この式(2)から、上述した三つのアブレーション閾値フルーエンスFth(F3,th、F2,th、F1,th)は夫々、Γ=0なる照射フルーエンスFから評価されることになる。
Γ = a {ln (F / Fth)} 0.5 (2)
However, a: Diameter of the incident laser beam Therefore, in this case, from the equation (2), the above-mentioned three ablation threshold fluences Fth (F3, th, F2, th, F1, th) are respectively Γ Evaluation is made from an irradiation fluence F of = 0.

以上、式(1)及び(2)に示したように、アブレーション閾値フルーエンスは、二つの手法により評価可能である。   As described above, as shown in the equations (1) and (2), the ablation threshold fluence can be evaluated by two methods.

尚、図6では、両対数グラフ上での特性曲線であるため、これら三つのアブレーション閾値フルーエンスF3,th、F2,th及びF1,thの存在は多少目視し難くなっているが、この特性曲線を、横軸(レーザ照射フルーエンス軸)のみを対数としたグラフ上で描けば、上記式(1)及び式(2)からも明らかなように、これら三つのアブレーション閾値フルーエンスF3,th、F2,th及びF1,thの存在は、目視により容易且つ明確に確認可能となる。   6 is a characteristic curve on a log-log graph, the existence of these three ablation threshold fluences F3, th, F2, th and F1, th is somewhat difficult to see. Is plotted on a graph with only the horizontal axis (laser irradiation fluence axis) as a logarithm, as is clear from the above equations (1) and (2), these three ablation threshold fluences F3, th, F2, The presence of th and F1, th can be easily and clearly confirmed visually.

図7に示すように、レーザパルス幅(s)とアブレーション閾値フルーエンス(J/cm)との関係を示す特性曲線上で、これら三つのアブレーション閾値フルーエンスF3,th、F2,th及びF1,thは夫々、フェムト秒レーザLfsに係るパルス幅に依存して変化する性質を有する。ここで、フェムト秒レーザLfsは、ターゲット13における衝突緩和時間よりも短い時間のパルス幅を有するので、フェムト秒レーザLfsに係るパルス幅は、ターゲット13の表面の材質に応じて可変である。例えば、例えばCuであれば17.49psといった具合である。(尚、この例では、図6の場合と同じく、ターゲット13をCu(銅)とし、フェムト秒レーザFfsの波長を800nmとしてある。)このように、三つのアブレーション閾値フルーエンスF3,th、F2,th及びF1,thは夫々、パルス幅と共に変化するので、レーザ強度もパルス幅に依存する重要パラメータであると言える(図3参照)。集光光学系を変えることで、ターゲット13の表面のレーザ照射面積が変わるため、レーザの強度を変えることができる。つまり、アブレーションに寄与する時間間隔を長くしたり短くしたりの調節が可能である。但し、本実施形態では、「光強度」というパラメータに対する条件付けは、独立に要求されるものではなく、上述の如きアブレーション閾値フルーエンスF3,th〜F2,thに係る条件が満たされれば、これに従属して決定される。As shown in FIG. 7, on the characteristic curve showing the relationship between the laser pulse width (s) and the ablation threshold fluence (J / cm 2 ), these three ablation threshold fluences F3, th, F2, th and F1, th Have properties that change depending on the pulse width of the femtosecond laser Lfs. Here, since the femtosecond laser Lfs has a pulse width shorter than the collision relaxation time in the target 13, the pulse width related to the femtosecond laser Lfs is variable according to the material of the surface of the target 13. For example, in the case of Cu, for example, 17.49 ps. (In this example, as in the case of FIG. 6, the target 13 is Cu (copper) and the wavelength of the femtosecond laser Ffs is 800 nm.) Thus, the three ablation threshold fluences F3, th, F2, Since th and F1, th change with the pulse width, respectively, it can be said that the laser intensity is also an important parameter depending on the pulse width (see FIG. 3). By changing the condensing optical system, the laser irradiation area on the surface of the target 13 changes, so that the laser intensity can be changed. That is, it is possible to adjust the time interval contributing to ablation to be longer or shorter. However, in the present embodiment, conditioning for the parameter “light intensity” is not required independently, and depends on this if the conditions relating to the ablation threshold fluences F3, th to F2, th as described above are satisfied. To be determined.

図6及び図7から分かるように、本実施形態に係る「低フルーエンス領域」とは、1番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスF3,thと2番目に小さいアブレーション閾値フルーエンスF2,thとの間の領域を意味する。従って、低フルーエンス領域は、ターゲット13の材質によって変化することとなるが、図6に示した例(即ち、ターゲットがCuである例)では、0.018J/cm〜0.18J/cmのフルーエンス領域が、低フルーエンス領域に該当する。言い換えれば、この0.018J/cm〜0.18J/cmのフルーエンス領域が、非熱的なイオン化がCuからなるターゲット13の表面で生じるアブレーション閾値付近の領域を意味することになる。As can be seen from FIGS. 6 and 7, the “low fluence region” according to the present embodiment is a region between the first smallest ablation threshold fluence F3, th and the second smallest ablation threshold fluence F2, th. means. Therefore, the low fluence region varies depending on the material of the target 13, but in the example shown in FIG. 6 (that is, the example where the target is Cu), 0.018 J / cm 2 to 0.18 J / cm 2. The fluence region is a low fluence region. In other words, the fluence region of 0.018 J / cm 2 to 0.18 J / cm 2 means a region in the vicinity of the ablation threshold where nonthermal ionization occurs on the surface of the target 13 made of Cu.

図6において、3光子吸収過程に基づいてシミュレーション又はモデル化された特性曲線L(ξ)が、実線で示されている。この特性曲線L(ξ)は、アブレーション閾値フルーエンスF3,thとアブレーション閾値フルーエンスF2,thとの間の領域、即ち低フルーエンス領域では、黒丸で示した実験データと整合がとれているのが確認される。In FIG. 6, a characteristic curve L 33 ) simulated or modeled based on the three-photon absorption process is shown by a solid line. This characteristic curve L 33 ) is consistent with the experimental data indicated by the black circles in the region between the ablation threshold fluence F3, th and the ablation threshold fluence F2, th, that is, in the low fluence region. It is confirmed.

ここで、m次の多光子吸収が起こった場合、その吸収係数ζ(cm/Wm−1)が分かれば、アブレーション率L(cm/shot)は解析的に説くことができ、次式(3)で表される。Here, when m-th order multiphoton absorption occurs, if the absorption coefficient ζ m (cm m / W m−1 ) is known, the ablation rate L m (cm / shot) can be explained analytically, It is represented by the following formula (3).

=1/{(m−1)ζ
×{(Eth/τζ((1−m)/m)−(F/τ1−m} …(3)
但し、
m≧2
τ(s):レーザーパルスの幅、
TH(J/cm):融解熱で単位体積の固体を融解させるのに必要なエネルギ
そして、L=0となる条件が、アブレーション閾値フルーエンスFthで、次式(4)で表される。
L m = 1 / {(m−1) ζ m }
× {(E th / τ p ζ m ) ((1-m) / m) − (F / τ p ) 1-m } (3)
However,
m ≧ 2
τ p (s): width of laser pulse,
E TH (J / cm 3 ): Energy required to melt a unit volume of solid with heat of fusion And the condition for L m = 0 is the ablation threshold fluence F th and is expressed by the following equation (4): The

th=(Eth/ζ1/mτ ((1−m)/m)=βτ ((1−m)/m) …(4)
以上式(3)及び(4)から分かるように、アブレーション閾値フルーエンスF3,thは、パルス幅に依存しており、図6の特性曲線L(ξ)で示された3光子吸収過程によるものとして説明される。
F th = (E th / ζ m ) 1 / m τ p ((1-m) / m) = β m τ p ((1-m) / m) (4)
As can be seen from the above equation (3) and (4), the ablation threshold fluence F3, th is dependent on the pulse width, by three-photon absorption process shown by the characteristic curve L 3 in FIG. 6 (xi] 3) It is explained as a thing.

また図6において、2光子吸収過程に基づいてシミュレーション又はモデル化された特性曲線Lσが、破線で示されている。この特性曲線Lσは、アブレーション閾値フルーエンスF2,thとアブレーション閾値フルーエンスF1,thとの間の領域、即ち、低フルーエンス領域に隣接する高フルーエンス領域では、黒丸で示した実験データと整合がとれているのが確認される。この高フルーエンス領域では、2光子吸収過程がアブレーション現象において支配的となり、熱的なイオン化放出現象が発生する。In FIG. 6, a characteristic curve Lσ that is simulated or modeled based on the two-photon absorption process is indicated by a broken line. This characteristic curve L sigma, the region between the ablation threshold fluence F2, th the ablation threshold fluence F1, and th, i.e., in the high fluence region adjacent to the low fluence region, and is consistent with the experimental data shown by black circles Is confirmed. In this high fluence region, the two-photon absorption process becomes dominant in the ablation phenomenon, and a thermal ionization emission phenomenon occurs.

更に図6において、1次元2温度熱拡散過程に基づいてシミュレーション又はモデル化された特性曲線Lが、一点鎖線で示されている。この特性曲線Lは、アブレーション閾値フルーエンスF1,thよりも高い高フルーエンスの領域では、黒丸で示した実験データと整合がとれているのが確認できる。Further, in FIG. 6, a characteristic curve L 1 that is simulated or modeled based on the one-dimensional two-temperature thermal diffusion process is indicated by a one-dot chain line. The characteristic curve L 1 is the ablation threshold fluence F1, at high high fluence region than th, it can be confirmed that that is consistent with the experimental data shown by black circles.

このように、フェムト秒レーザFfsを用いる場合、低フルーエンス領域内では、“3光子吸収過程”がアブレーション現象の要因として顕著に又は完全に支配的となる。尚、フェムト秒レーザLfsの場合、例えば、800nmの波長であれば、光子としては1.5eVの粒の性質を有する。よって、ターゲット13の表面において、3光子吸収過程に従って非熱的なイオン化放出(非熱的な脱離イオン化)が行なわれる。逆に、本実施形態に係る低フルーエンス領域から外れた高フルーエンス領域では、本実施形態の如き非熱的なイオン化放出現象は殆ど又は全く確認されておらず、熱的なイオン化放出現象が顕著に確認される。   As described above, when the femtosecond laser Ffs is used, the “three-photon absorption process” becomes notably or completely dominant as a factor of the ablation phenomenon in the low fluence region. In the case of the femtosecond laser Lfs, for example, when the wavelength is 800 nm, the photon has a particle property of 1.5 eV. Therefore, non-thermal ionization emission (non-thermal desorption ionization) is performed on the surface of the target 13 in accordance with the three-photon absorption process. On the contrary, in the high fluence region deviating from the low fluence region according to this embodiment, little or no non-thermal ionization emission phenomenon as in this embodiment has been confirmed, and the thermal ionization emission phenomenon is remarkable. It is confirmed.

次に図8から図10を参照して、このように新規なアブレーション物理を示す低フルーエンス領域における、2光子吸収過程に基づく特性曲線L(ξ)について、更に検証する。より具体的には、レーザ分析装置2において検出装置16によって測定される、ターゲット13表面から放出される分子イオンに基づいて、イオン化放出過程とレーザ多光子吸収過程(或いは、3光子吸収過程)との関連性について検討する。ここでは、波長800nmであるフェムト秒レーザLfsのパルス幅は、130fsに固定され、集光レンズ12として、f(焦点距離)=250mmのレンズが用いられる。そして、ターゲット13たるCuの金属サンプルの表面に、照射フルーエンスを15〜700mJ/cmの範囲で変化させつつ、フェムト秒レーザLfsが照射されるものとする。そして、ターゲット13の表面から放出される分子イオンが、検出装置16の一例として、飛行時間型質量分析器(TOF)によって、測定される。このようにして得られる測定結果が、図8から図10に示されている。図8から図10はこの順番に、フェムト秒レーザLfsの照射エネルギを、27μJ(相対的に高エネルギ)、17μJ(相対的に中エネルギ)、8.7μJ(相対的に低エネルギ)として測定したものである。Next, with reference to FIGS. 8 to 10, the characteristic curve L 33 ) based on the two-photon absorption process in the low fluence region showing the novel ablation physics will be further verified. More specifically, an ionization emission process and a laser multiphoton absorption process (or a three-photon absorption process) based on molecular ions emitted from the surface of the target 13 measured by the detection device 16 in the laser analyzer 2. Consider the relevance of. Here, the pulse width of the femtosecond laser Lfs having a wavelength of 800 nm is fixed to 130 fs, and a lens with f (focal length) = 250 mm is used as the condenser lens 12. The surface of the Cu metal sample as the target 13 is irradiated with the femtosecond laser Lfs while changing the irradiation fluence in the range of 15 to 700 mJ / cm 2 . Then, molecular ions emitted from the surface of the target 13 are measured by a time-of-flight mass analyzer (TOF) as an example of the detection device 16. The measurement results obtained in this way are shown in FIGS. 8 to 10 show the irradiation energy of the femtosecond laser Lfs in this order as 27 μJ (relatively high energy), 17 μJ (relatively medium energy), and 8.7 μJ (relatively low energy). Is.

図8から図10に示すように、本測定条件では、いずれの場合にも、Cu3+及びCu2+に対応するピークが測定され、即ち、多価の銅イオンが顕著に放出されていることが確認される。尚、図8から図10において、3μs付近のピークは、測定環境に起因する水素イオンによるもので、当該新規なアブレーション物理に係る検証とは、特に関係がない。As shown in FIG. 8 to FIG. 10, under these measurement conditions, in any case, peaks corresponding to Cu 3+ and Cu 2+ are measured, that is, polyvalent copper ions are remarkably released. It is confirmed. 8 to 10, the peak in the vicinity of 3 μs is due to hydrogen ions caused by the measurement environment, and is not particularly related to the verification related to the new ablation physics.

図11は、上述の如き測定に係るアブレーションが、仮に熱過程によるものとして計算した場合における、温度(k)に対する、銅イオン(Cu、Cu2+、Cu3+)及び銅(Cu)の価数分布を示している。これに対して、図12は、上述の如き本実施形態の測定で得られる、入射レーザエネルギ(μJ)に対する、銅イオン(Cu、Cu2+、Cu3+)及び銅(Cu)の価数分布を示している。尚、図12における、入射レーザエネルギが9μJ付近のところに見られるピークは、信号が得られない際のイオン信号強度を示しており、当該新規なアブレーション物理に係る検証とは、特に関係がない。FIG. 11 shows the valence of copper ions (Cu + , Cu 2+ , Cu 3+ ) and copper (Cu) with respect to the temperature (k) when the ablation related to the measurement as described above is calculated by a thermal process. Distribution is shown. In contrast, FIG. 12 shows the valence distribution of copper ions (Cu + , Cu 2+ , Cu 3+ ) and copper (Cu) with respect to the incident laser energy (μJ) obtained by the measurement of the present embodiment as described above. Is shown. In FIG. 12, the peak seen when the incident laser energy is around 9 μJ indicates the ion signal intensity when no signal is obtained, and is not particularly relevant to the verification related to the new ablation physics. .

図11及び図12からも、図6に示した低フルーエンス領域におけるアブレーション或いはイオン化放出現象が、熱過程ではなく、非熱過程で起こっていることが推察される。これは、前述したように、低フルーエンス領域では、多光子吸収過程或いは3光子吸収過程がアブレーション現象の要因として顕著に又は完全に支配的となり、分子イオンとして、多価のイオンが生成されるという考察を裏付ける結果となっている。   From FIG. 11 and FIG. 12, it is presumed that the ablation or ionization emission phenomenon in the low fluence region shown in FIG. 6 occurs not in the thermal process but in the non-thermal process. As described above, in the low fluence region, the multiphoton absorption process or the three-photon absorption process becomes dominant or completely dominant as a factor of the ablation phenomenon, and multivalent ions are generated as molecular ions. The result supports the discussion.

以上図2から図12を参照して説明したように、1つのフェムト秒レーザに係るパルスで、ターゲット13の表面を、原子・分子レベルで、言い換えれば、非常にソフトにアブレーションさせ、或いはイオン化できる。この際、1価以外の多価イオンのみが顕著に放出される非熱的アブレーション現象、或いは非熱的イオン化現象は、本発明の以前には報告されていない。   As described above with reference to FIGS. 2 to 12, the surface of the target 13 can be ablated or ionized very softly at the atomic / molecular level, in other words, with a pulse related to one femtosecond laser. . At this time, a non-thermal ablation phenomenon in which only multivalent ions other than monovalent ions are remarkably released or a non-thermal ionization phenomenon has not been reported before the present invention.

また、本実施形態では、金属として適宜Cuの場合について例示しているが、図4の表に例示した全ての金属についても同様の非熱的アブレーション現象、或いは非熱的イオン化現象が確認される。総括すれば、図6等を参照して説明したアブレーション率のフルーエンス依存性は、概ね全ての金属をターゲット13とした場合にも、傾きの異なる三つの対数成分からなっており、アブレーション閾値フルーエンスは夫々、三つ(F3,th、F2,th及びF1,th)存在する。そして、概ねいずれの金属についても、アブレーション閾値フルーエンスのパルス依存性は、多光子吸収過程或いは3光子吸収過程に従っていると考察される。   Further, in the present embodiment, the case where Cu is appropriately used as the metal is illustrated, but the same non-thermal ablation phenomenon or non-thermal ionization phenomenon is confirmed for all the metals illustrated in the table of FIG. . In summary, the fluence dependence of the ablation rate described with reference to FIG. 6 and the like is composed of three logarithmic components having different slopes even when all the metals are the target 13, and the ablation threshold fluence is There are three (F3, th, F2, th and F1, th), respectively. And about any metal, it is thought that the pulse dependence of ablation threshold fluence follows the multiphoton absorption process or the three-photon absorption process.

以上図4から図12を参照しての考察に鑑み、図1及び図2に示した本実施形態に係るレーザ分析装置2では、制御装置10等による設定工程において、照射フルーエンスの値は、ターゲット13の表面に非熱的な脱離イオン化(即ち、非熱的なデソープションイオン化)を引き起こす低フルーエンス領域内(図6の例では、0.018J/cm〜0.18J/cmの領域内)で設定される。そして、レーザ光源装置11等による照射工程では、フェムト秒レーザLBがこの設定値で照射される。従って、レーザ分析装置2によれば、高フルーエンスのレーザ照射によって又は長いパルスのレーザ照射によってターゲット13の表面における熱的なイオン化を招くことなく或いは加熱による溶融や破壊を招くことなく、原子・分子レベルで即ち超微量だけ、非熱的な脱離イオン化を行うことができる。この様子について、図13及び図14を参照して説明を加える。ここに、図13は、本実施形態により、ターゲット13の表面に引き起こされる非熱的な脱離イオン化を概念的に示しており、図14は、本実施形態の比較例として、MALDI法により、特殊基板201上でマトリックス剤に混在された試料に引き起こされる熱的な脱離イオン化を概念的に示す。In view of the discussion with reference to FIGS. 4 to 12 described above, in the laser analyzer 2 according to the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the irradiation fluence value in the setting process by the control device 10 or the like is the target. 13 in a low fluence region that causes non-thermal desorption ionization (i.e., non-thermal desorption ionization) (in the example of FIG. 6, 0.018 J / cm 2 to 0.18 J / cm 2 ). In the area). In the irradiation process by the laser light source device 11 or the like, the femtosecond laser LB is irradiated with this set value. Therefore, according to the laser analyzer 2, the atom / molecule can be obtained without causing thermal ionization on the surface of the target 13 by heating with a high fluence laser or by irradiating with a long pulse without causing melting or destruction by heating. Non-thermal desorption / ionization can be performed at the level, that is, by an extremely small amount. This will be described with reference to FIGS. 13 and 14. Here, FIG. 13 conceptually shows non-thermal desorption ionization caused on the surface of the target 13 by this embodiment, and FIG. 14 shows a comparative example of this embodiment by the MALDI method. The thermal desorption ionization caused by the sample mixed with the matrix agent on the special substrate 201 is conceptually shown.

図13に例示するように、本実施形態によれば、ターゲット13の表面で、原子・分子レベルの脱離イオン化を起こすことができ、例えば手で触るなど、物理的接触する場合よりも微量だけ表面を脱離させることも可能となる。これにより、図13中、左側に示したレーザパルス照射前におけるターゲット13の表面の状態と、図13中、右側に示したレーザパルス照射後におけるターゲット13の表面の状態とでは、殆ど差はなく、電子顕微鏡で拡大したレベルで僅かに、脱離の痕跡が確認できる程度である(図13中、右下部分参照)。   As illustrated in FIG. 13, according to the present embodiment, desorption / ionization at the atomic / molecular level can be caused on the surface of the target 13, for example, a minute amount compared to the case of physical contact such as touching with a hand. It is also possible to desorb the surface. Thereby, there is almost no difference between the surface state of the target 13 before the laser pulse irradiation shown on the left side in FIG. 13 and the surface state of the target 13 after the laser pulse irradiation shown on the right side in FIG. The trace of desorption can be confirmed slightly at a level enlarged with an electron microscope (see the lower right portion in FIG. 13).

これに対して図14に示すように、MALDI法によれば、シリコン製などの特殊基板201上に、試料分子202、不純物203及びマトリックス剤(試薬分子)213を混在させた状態で質量分析が行なわれる。これにより、図14中、左側に示したレーザパルス照射前における試料分子202を混合したターゲットの表面の状態と、図14中、右側に示したレーザパルス照射後における該ターゲットの表面の状態とでは、表面の破壊が生じた分だけ、顕著な差が生じている。そして、原子・分子レベルと比べて遥かに巨大なる脱離の痕跡が明確に確認できる。即ち、MALDI法では、非破壊的な質量分析は困難である。加えて、マトリックス剤213や不純物203の存在により、飛行時間型の質量分析にノイズ成分が生じることになるので、MALDI法では、イオン信号強度中におけるピークの同定が大なり小なり困難になる。ここで分析精度を高めるためには、試料分子202の種類に応じて、マトリックス剤213の種類を適宜変える必要性も生じる。   On the other hand, as shown in FIG. 14, according to the MALDI method, mass spectrometry can be performed in a state where sample molecules 202, impurities 203 and matrix agent (reagent molecules) 213 are mixed on a special substrate 201 made of silicon or the like. Done. Accordingly, the state of the surface of the target mixed with the sample molecules 202 before the laser pulse irradiation shown on the left side in FIG. 14 and the state of the surface of the target after the laser pulse irradiation shown on the right side in FIG. There is a significant difference by the amount of surface destruction. And the trace of desorption that is much larger than the atomic / molecular level can be clearly confirmed. That is, nondestructive mass spectrometry is difficult with the MALDI method. In addition, noise components are generated in the time-of-flight mass analysis due to the presence of the matrix agent 213 and the impurities 203. Therefore, in the MALDI method, the identification of the peak in the ion signal intensity becomes large and small, making it difficult. Here, in order to increase the analysis accuracy, it is necessary to appropriately change the type of the matrix agent 213 according to the type of the sample molecule 202.

続いて図15から図23を参照して、以上のように照射フルーエンスが設定されたフェムト秒レーザLBを用いて分析を行う本実施形態に係るレーザ分析装置2によって、各種試料に対する質量分析を行う場合について説明する。   Subsequently, referring to FIG. 15 to FIG. 23, mass analysis is performed on various samples by the laser analyzer 2 according to this embodiment that performs analysis using the femtosecond laser LB in which the irradiation fluence is set as described above. The case will be described.

先ず図15を参照して、“生物試料”に対する質量分析を行う場合について説明する。   First, referring to FIG. 15, a case where mass spectrometry is performed on a “biological sample” will be described.

図15に示すイオン信号強度は、生物試料の典型例として、細胞膜として周知性の高いホスファチジルコリン分子(PCM=745 1μmmol)に対する質量分析を行うことで得られる。ここでは先ず、該生物試料を、ジクロロメタン溶液にし、ガラス基板上に10nmol乾燥塗布する。これにより、1μmolという極薄い試料がガラス基板上に生成される。そして、該ガラス基板に対して、レーザ分析装置2によって、前述の如く波長が800nmであり、パルス幅が130fsのフェムト秒レーザLBを低フルーエンスで照射することで、飛行時間型の質量分析を行う。その結果が、図15に示したイオン信号強度となる。   The ion signal intensity shown in FIG. 15 is obtained by performing mass spectrometry on a phosphatidylcholine molecule (PCM = 745 1 μmmol), which is well known as a cell membrane, as a typical example of a biological sample. Here, first, the biological sample is made into a dichloromethane solution, and 10 nmol is dried and coated on a glass substrate. Thereby, a very thin sample of 1 μmol is generated on the glass substrate. The glass substrate is irradiated with a femtosecond laser LB having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 130 fs at a low fluence, as described above, to perform time-of-flight mass analysis. . The result is the ion signal intensity shown in FIG.

図15において、84.65μs付近に観測されているブロードなピークは、ホスファチジルコリン分子と同定される。他方、25μs以下に観測される強度の強いピークは、ガラス基板からのアブレーションにより生成された原子イオンである。25〜80μsの間に顕著なフラグメントイオンが観測されていないことから、低フルーエンス領域でのデソープションイオン化は、分子イオンを選択的に生成するソフトなイオン化であると考察される。また、図15から明らかなように、分析精度は、一般的なMALDI法と比較しても、遜色はないか又は試料の種類によっては遥かに優れる。   In FIG. 15, the broad peak observed near 84.65 μs is identified as a phosphatidylcholine molecule. On the other hand, a strong peak observed at 25 μs or less is atomic ions generated by ablation from the glass substrate. Since no significant fragment ions are observed between 25 and 80 μs, desorption ionization in the low fluence region is considered to be soft ionization that selectively generates molecular ions. Further, as is apparent from FIG. 15, the analysis accuracy is not inferior or is far superior depending on the type of sample even when compared with a general MALDI method.

次に図16から図23を参照して、以上のように照射フルーエンスが設定されたフェムト秒レーザLBを用いて分析を行う本実施形態に係るレーザ分析装置2によって、“固体化合物試料”の二例に対する質量分析を行う場合について説明する。   Next, referring to FIG. 16 to FIG. 23, two “solid compound samples” are analyzed by the laser analyzer 2 according to this embodiment that performs analysis using the femtosecond laser LB in which the irradiation fluence is set as described above. A case where mass spectrometry is performed on an example will be described.

図16から図19に示すイオン信号強度は、固体化合物試料の一例として、コロネン分子(C2412:分子量300.4)に対する質量分析を行うことで得られる。特に図16、図17、図18及び図19に示すイオン信号強度は、レーザ光強度を、この順に、5.5μJ、5.9μJ、6.5μJ及び8.7μJに設定して得られるものである。また、図中、「M+」とは、コロネン分子の1価イオンであり、「M2 +」とは、2量体(2つの分子が会合している)のイオンである。このようなコロネン分子に対して、レーザ分析装置2によって、例えば前述の如く波長が800nmであり、パルス幅が130fsのフェムト秒レーザLBを低フルーエンスで照射することで、飛行時間型の質量分析を行う。その結果が、図16から図19に示したイオン信号強度となる。The ion signal intensities shown in FIGS. 16 to 19 are obtained by performing mass spectrometry on coronene molecules (C 24 H 12 : molecular weight 300.4) as an example of a solid compound sample. In particular, the ion signal intensities shown in FIGS. 16, 17, 18 and 19 are obtained by setting the laser light intensity to 5.5 μJ, 5.9 μJ, 6.5 μJ and 8.7 μJ in this order. is there. In the figure, “M + ” is a monovalent ion of a coronene molecule, and “M 2 + ” is an ion of a dimer (two molecules are associated). By irradiating such a coronene molecule with a femtosecond laser LB having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 130 fs at a low fluence, for example, as described above, a time-of-flight mass spectrometry is performed. Do. The result is the ion signal intensity shown in FIGS.

図16から図19から分かるように、図15に示した“生体試料”の場合より顕著に分子イオンが観測される。また、レーザ強度を少し上げるだけで、飛躍的に検出されるイオン量が増加する。5.9μJ以上のレーザー強度では、分子2量体のイオンも観測されている。更に、レーザー強度の増加に伴い、フラグメントイオン(フラグメンテーション)も観測されている。   As can be seen from FIG. 16 to FIG. 19, molecular ions are observed more markedly than in the case of the “biological sample” shown in FIG. Further, the amount of ions detected dramatically increases only by slightly increasing the laser intensity. At a laser intensity of 5.9 μJ or more, molecular dimer ions are also observed. Furthermore, fragment ions (fragmentation) are also observed with increasing laser intensity.

図20から図23に示すイオン信号強度は、固体化合物試料の他の例として、フラーレンC60分子(C60:分子量720)に対する質量分析を行うことで得られる。特に図20、図21、図22及び図23に示すイオン信号強度は、レーザ光強度を、この順に、9.4μJ、11μJ、13μJ及び17μJに設定して得られるものである。このようなフラーレンC60分子に対して、レーザ分析装置2によって、例えば前述の如く波長が800nmであり、パルス幅が130fsのフェムト秒レーザLBを低フルーエンスで照射することで、飛行時間型の質量分析を行う。その結果が、図20から図23に示したイオン信号強度となる。The ion signal intensity shown in FIGS. 20 to 23 is obtained by performing mass spectrometry on fullerene C 60 molecules (C 60 : molecular weight 720) as another example of the solid compound sample. In particular, the ion signal intensities shown in FIGS. 20, 21, 22 and 23 are obtained by setting the laser light intensity to 9.4 μJ, 11 μJ, 13 μJ and 17 μJ in this order. By irradiating such a fullerene C 60 molecule with a femtosecond laser LB having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 130 fs with a low fluence, for example, as described above, a time-of-flight mass is obtained. Perform analysis. The result is the ion signal intensity shown in FIGS.

図20から図23から分かるように、図15に示した“生体試料”の場合より顕著に分子イオンが観測される。また、レーザ強度を少し上げるだけで、飛躍的に検出されるイオン量が増加する。更に、分子2量体イオンが観測されており、特に強度の強い領域では、フラグメントイオン(フラグメンテーション)も観測されている。   As can be seen from FIGS. 20 to 23, molecular ions are observed more markedly than in the case of the “biological sample” shown in FIG. Further, the amount of ions detected dramatically increases only by slightly increasing the laser intensity. Furthermore, molecular dimer ions are observed, and fragment ions (fragmentation) are also observed in a particularly strong region.

以上図16から図23を参照して説明したように、コロネン分子及びフラーレン分子の両者について、生体試料の場合(図15参照)よりも、よりフラグメントが少なく分子イオンが顕著に観測されている。これは、(1)試料分子濃度が非常に高いことと(2)分子サイズが比較的小さいこととに起因すると考察される。   As described above with reference to FIGS. 16 to 23, both the coronene molecules and the fullerene molecules have fewer fragments and molecular ions are remarkably observed than in the case of the biological sample (see FIG. 15). This is considered to be caused by (1) a very high concentration of sample molecules and (2) a relatively small molecular size.

以上詳細に説明したように本実施形態のレーザ分析装置2によれば、金属試料、生物試料、化学物試料、化合物試料等の各種のターゲット13に対して、低フルーエンスであって且つフェムト秒レーザLBという極短いパルスを用いることで、非熱的な分子イオン放出現象がターゲット13の表面で起き、該表面が加熱されることなく、原子・分子レベルでの剥離が可能となるのである。特に、フェムト秒レーザLBの光強度を、フェムト秒レーザLBに起因したレーザ電場によるトンネルイオン化過程と非共鳴多光子吸収過程とによって、ターゲット13の表面から分子イオンMが脱離される値に設定しておけば、極めて効率良く非熱的且つ非破壊的にターゲット13の表面から分子イオンMを脱離させることが可能となる。従って、レーザ分析装置2によれば、非破壊的な質量分析が可能となり、特に前述したMALDI法の如くマトリックス剤の添加等を必要とせず、生体試料、半導体材料、金属材料、化学物試料、化合物試料等の各種試料を、殆ど又は実践的な意味では全く傷めることなく、そのまま微量分析できるので、実践上大変有利である。As described above in detail, according to the laser analyzer 2 of the present embodiment, a low fluence and femtosecond laser with respect to various targets 13 such as a metal sample, a biological sample, a chemical sample, and a compound sample. By using an extremely short pulse of LB, a non-thermal molecular ion release phenomenon occurs on the surface of the target 13, and the surface can be peeled off at the atomic / molecular level without being heated. In particular, the light intensity of the femtosecond laser LB is set to a value at which the molecular ion M + is desorbed from the surface of the target 13 by the tunnel ionization process and the nonresonant multiphoton absorption process by the laser electric field caused by the femtosecond laser LB. By doing so, it becomes possible to desorb molecular ions M + from the surface of the target 13 extremely efficiently and non-destructively. Therefore, according to the laser analyzer 2, non-destructive mass spectrometry is possible, and it is not particularly necessary to add a matrix agent or the like as in the MALDI method described above, and a biological sample, a semiconductor material, a metal material, a chemical sample, Since various samples such as compound samples can be analyzed as they are with little or no damage in a practical sense, it is very advantageous in practice.

また、金属試料や生物試料以外の、例えば半導体材料、絶縁体等をターゲット13としても、ターゲット13の材質に個別具体的に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザLBを、ターゲット13の材質に応じた光強度で照射することによって、いずれのターゲット13に対しても、非破壊的な分析が可能となる。例えば、レーザ強度を高めることで、絶縁体等を、比較的問題なくターゲット13として質量分析等できる。或いは、レーザを低フルーエンスで照射するので、破壊されやすい化合物や生物試料も比較的問題なくターゲット13として質量分析等できる。本実施形態は、例えば、生きた細胞内で影響を及ぼす物質の高時間分解検出が可能なため、細胞や生体器官における分子の動的分布過程を検出するなど、生体機能解明のために有力なツールとも成り得る。また、本実施形態は、ポストゲノム薬剤の遺伝子発現誘導・抑制のプロセス解明のためにも有力なツールと成り得、更に、ゲノム創薬における画期的な制御技術とも成り得る。   Further, even if the target 13 is made of a material other than a metal sample or a biological sample, for example, a semiconductor material or an insulator, a femtosecond laser LB in a low fluence region corresponding to the material of the target 13 is used as the material of the target 13. By irradiating with the corresponding light intensity, non-destructive analysis is possible for any target 13. For example, by increasing the laser intensity, an insulator or the like can be mass analyzed as the target 13 with relatively no problem. Alternatively, since the laser is irradiated at a low fluence, a compound or biological sample that is easily destroyed can be subjected to mass spectrometry or the like as the target 13 with relatively no problem. This embodiment is useful for elucidating biological functions, for example, by detecting the dynamic distribution process of molecules in cells and biological organs because it can detect substances that affect cells in living cells. It can be a tool. In addition, the present embodiment can be an effective tool for elucidating the process of inducing and suppressing gene expression of post-genomic drugs, and can also be an innovative control technique in genome drug discovery.

このように、微細化が進行してゆく、ナノテクノロジー、情報技術、環境技術、バイオテクノロジー、製造技術など広い分野にわたって、本発明は、極めて重要な分析技術を提供することになる。   In this way, the present invention provides extremely important analytical techniques over a wide range of fields such as nanotechnology, information technology, environmental technology, biotechnology, and manufacturing technology, where miniaturization proceeds.

尚、図6に例示した如き三つのアブレーション閾値フルーエンスF3,th、F2,th及びF1,thは、ターゲット13の表面の材質等に依存して予め数値化、或いはテーブル化可能である。よって、一旦、これらの値を求めておけば、制御装置10(図2参照)による設定工程における照射フルーエンスの値を、実際にレーザ照射の対象となるターゲット13の材質に応じて、一意的に決めることが可能となる。即ち、様々な種類の試料に対して実際に分析を実施する際には、制御装置10による照射フルーエンスの値の設定を、迅速且つ容易に行える。   Note that the three ablation threshold fluences F3, th, F2, th and F1, th as illustrated in FIG. 6 can be quantified or tabulated in advance depending on the material of the surface of the target 13. Therefore, once these values are obtained, the value of the irradiation fluence in the setting process by the control device 10 (see FIG. 2) is uniquely determined according to the material of the target 13 that is actually the target of laser irradiation. It becomes possible to decide. That is, when the analysis is actually performed on various types of samples, the setting of the irradiation fluence value by the control device 10 can be performed quickly and easily.

加えて、上述の実施形態においては、制御装置10による駆動制御下で、レーザ分析装置2は、フェムト秒レーザLBとして、一つのレーザパルスを他のレーザパルスから時間的に独立した形で照射可能に構成されてもよい。これにより、一つのレーザパルスを他のレーザパルスから時間的に独立した形で照射することで、ターゲット13の表面から分子イオンを、一つのレーザパルスに対応する極めて微細な剥離量で脱離イオン化させることが可能となる。或いは、制御装置10による駆動制御下で、レーザ分析装置2は、複数のレーザパルスをまとめて或いは連続して照射するように構成してもよい。これにより、ターゲット13から大量の剥離量で分子イオンを放出させ、分析装置2における分析速度や分析精度を上げることが可能となる。   In addition, in the above-described embodiment, under the drive control by the control device 10, the laser analysis device 2 can irradiate one laser pulse as a femtosecond laser LB in a time independent manner from the other laser pulses. May be configured. As a result, by irradiating one laser pulse in a time independent manner from other laser pulses, molecular ions are desorbed and ionized from the surface of the target 13 with an extremely fine amount of separation corresponding to one laser pulse. It becomes possible to make it. Alternatively, the laser analyzer 2 may be configured to irradiate a plurality of laser pulses collectively or continuously under drive control by the control device 10. Thereby, molecular ions can be released from the target 13 with a large amount of peeling, and the analysis speed and analysis accuracy in the analyzer 2 can be increased.

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うレーザ分析装置及び方法もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be changed as appropriate without departing from the spirit or philosophy of the invention that can be read from the claims and the entire specification. And the method are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係るレーザ分析装置及び方法は、例えば、レーザを利用した固体表面における非破壊的な超微量分析などの、非破壊的な分析に利用可能である。
The laser analysis apparatus and method according to the present invention can be used for nondestructive analysis such as nondestructive ultratrace analysis on a solid surface using a laser.

Claims (10)

試料表面に照射されることで前記試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こす、該試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザを、前記試料表面に対して照射する照射手段と、
前記照射されたフェムト秒レーザに応じて前記試料表面から脱離される分子イオンを、分析する分析手段と
を備えたことを特徴とするレーザ分析装置。
Irradiation means for irradiating the sample surface with a femtosecond laser in a low fluence region according to the material of the sample surface that causes non-thermal desorption ionization on the sample surface by irradiating the sample surface When,
And an analyzing means for analyzing molecular ions desorbed from the sample surface in response to the irradiated femtosecond laser.
前記分析手段は、前記脱離された分子イオンの質量を分析する質量分析手段を含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。 2. The laser analyzer according to claim 1, wherein the analyzing means includes a mass analyzing means for analyzing a mass of the desorbed molecular ions. 前記質量分析手段は、前記脱離された分子イオンの濃度を検出する濃度検出手段を含むことを特徴とする請求の範囲第2項に記載のレーザ分析装置。 3. The laser analyzer according to claim 2, wherein the mass analyzing means includes a concentration detecting means for detecting the concentration of the desorbed molecular ions. 前記照射手段は、マトリックス剤が混合されていない状態にある前記試料表面に対して、前記フェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。 2. The laser analyzer according to claim 1, wherein the irradiation unit irradiates the femtosecond laser onto the sample surface in a state where a matrix agent is not mixed. 3. 前記フェムト秒レーザの光強度は、前記フェムト秒レーザに起因したレーザ電場によるトンネルイオン化過程と非共鳴多光子吸収過程とによって前記試料表面から前記分子イオンが脱離される値に設定されることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。 The light intensity of the femtosecond laser is set to a value at which the molecular ions are desorbed from the sample surface by a tunnel ionization process and a non-resonant multiphoton absorption process by a laser electric field caused by the femtosecond laser. The laser analyzer according to claim 1. 前記試料表面は、生体試料又は固体試料の表面からなり、
前記照射手段は、前記試料表面から前記分子イオンを非破壊的に脱離させることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。
The sample surface comprises a surface of a biological sample or a solid sample,
2. The laser analyzer according to claim 1, wherein the irradiation means desorbs the molecular ions from the sample surface in a nondestructive manner.
前記試料表面は、生体試料の表面からなり、
前記分析手段は、前記試料表面における前記分子イオンの動的分布過程を検出する検出手段を含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。
The sample surface consists of the surface of a biological sample,
The laser analyzing apparatus according to claim 1, wherein the analyzing means includes a detecting means for detecting a dynamic distribution process of the molecular ions on the sample surface.
前記試料表面を有する試料を、前記照射手段が前記フェムト秒レーザを照射可能なように収容すると共に、前記脱離された分子イオンを加速するイオン加速器と、
前記加速された分子イオンを前記分析手段に導く真空容器と
を更に備えたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ分析装置。
An ion accelerator for accelerating the desorbed molecular ions while accommodating the sample having the sample surface so that the irradiation means can irradiate the femtosecond laser;
The laser analysis apparatus according to claim 1, further comprising: a vacuum vessel for guiding the accelerated molecular ions to the analysis means.
試料表面に照射されることで前記試料表面に非熱的な脱離イオン化を引き起こす、該試料表面の材質に応じた低フルーエンス領域内のフェムト秒レーザを、前記試料表面に対して照射する照射工程と、
前記照射されたフェムト秒レーザに応じて前記試料表面から脱離される分子イオンを、分析する分析工程と
を備えたことを特徴とするレーザ分析方法。
Irradiation step of irradiating the sample surface with a femtosecond laser in a low fluence region corresponding to the material of the sample surface that causes non-thermal desorption ionization on the sample surface by irradiating the sample surface When,
An analysis step of analyzing molecular ions desorbed from the sample surface in response to the irradiated femtosecond laser.
前記試料表面の材質に応じて、前記フェムト秒レーザに係る照射フルーエンスの値を、前記低フルーエンス領域内で設定する設定工程を更に備え、
前記照射工程は、前記試料表面に対して前記設定された照射フルーエンスの値で前記フェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求の範囲第9項に記載のレーザ分析方法。
According to the material of the sample surface, further comprising a setting step of setting an irradiation fluence value related to the femtosecond laser in the low fluence region,
The laser analysis method according to claim 9, wherein the irradiation step irradiates the femtosecond laser with the set irradiation fluence value on the sample surface.
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