JP2010506361A - 二極性質量分析計 - Google Patents

Abstract

二極性質量分析計は、イオン源と、陰イオン質量分析計と、陽イオン質量分析計とを備え、試料の陰及び陽イオンスペクトル双方を同時に測定する。イオン源は試料が配置される供試面を備え、試料は、レーザ光又はエネルギ粒子流によって励起されると、陽イオン及び陰イオンを提供する。第１抽出電極は、供試面より高い電圧に接続され、試料電極から陰イオンを引きつける。第２抽出電極は、供試面より低い電圧に接続され、試料電極から陽イオンを引きつける。陰及び陽イオンは、それぞれ陰イオン質量分析計及び陽イオン質量分析計によって同時に分析される。

Description

本説明は、二極性質量分析計に関する。

質量分析計は、固体、気体、又は液体の試料を構成している含有成分を同定及び定量するために用いられる。質量分析計は、イオンの質量（ｍ）対電荷（ｚ）比を用いて、イオンを分離して分析することができる。一例において、飛行時間型質量分析計には、陽イオン（カチオン）又は陰イオン（アニオン）のいずれかを加速させるための電界を発生させ、それらを飛行管の一端へ向けて案内する電極を有する加速領域が含まれる。イオンは重いほど、飛行管中をより低速で進み、より軽いイオンは、より高速で進む。イオンは、飛行管の他端でセンサによって検出される。ｍ／ｚ比は、イオンが飛行管の長さを進むのに要する時間長に基づき導出される。

一般的に、正に帯電した粒子と負に帯電した粒子との双方が、イオン化プロセス時に試料から発生する。単極性質量分析計は、与えられた時間に、陽イオン及び陰イオンの両方ではなく、いずれか一方を測定するように構成される。そのような測定では、試料の情報の全てを捕捉することはできず、イオンの種類や量に関する一部の情報が失われることがある。二極性質量分析計は、陽及び陰イオン双方を同時に測定可能である。二極性質量分析計の一例は、ノズル及びスキマーを通して粒子を加速し、輪郭がはっきりした粒子ビームを発生させることによって、エアロゾル粒子の大きさ及び化学組成を決定するエアロゾル飛行時間型質量分析計である。粒子は、イオン化位置に達するまで電気的に中性なまま維持されるが、イオン化位置に達すると、中性粒子は、レーザによって照射され、正や負に帯電した小分子を発生させる。これらの帯電した分子は、それぞれ陽及び陰イオンを分析するための２つの飛行管を有する二極性飛行時間型質量分析計によって分析される。

本発明は、安定した（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）試料から発生した陰イオン及び陽イオンの質量スペクトルを同時に決定するための二極性質量分析計に関する。試料は、イオン源電極の表面に配置され得る。イオン源電極及び抽出電極は、陽及び陰イオンが、試料から発生した後、試料から抽出されるとともに、陰及び陽イオンをそれぞれ陰質量分析計及び陽イオン質量分析計へ向けて加速させる加速段へ向けて案内されるように、電界を発生させる。

この二極性質量分析計は、例えば、塩、合金、半導体材料、半導体チップ、粒子、化学物質、生体分子、生理分泌液、生物組織、皮膚、金属、及びプラズマが含まれる試料を分析するために用いられ得る。試料は、イオン化される前は、安定していてよい。この二極性質量分析計は、単に試料の表面層を抽出して、陽及び陰イオンを発生させることによって、試料の表面特性を分析し得る。この二極性質量分析計は、更に、表面層の真下にある試料のより深い部分を分析し得る。この二極性質量分析計に用いられる試料は、数ミリメートル又はそれ以上の寸法を有し得る。

一態様において、一般的に、装置は、イオン源電極、第１抽出電極、及び第２抽出電極を備える。イオン源電極は、試料が配置される供試面を備え、試料は、レーザ光又はエネルギ粒子流によって励起されると、陽イオン及び陰イオンを提供する。第１抽出電極は、供試面より高い電圧に接続され、供試面から陰イオンを引きつける。第１抽出電極は、陰
イオンを通過させる開口部を有する。第２抽出電極は、供試面より低い電圧に接続され、供試面から陽イオンを引きつける。第２抽出電極は、陽イオンを通過させる開口部を有する。第１及び第２抽出電極は、イオン源電極の対向する側に配置される。

この方法の具体例は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。イオン源電極は、第１壁及び第２壁を備え、第１壁は、陰イオンを通過させる第１開口部を有するとともに、供試面と第１抽出電極との間に配置され、第２壁は、陽イオンを通過させる第２開口部を有するとともに、供試面と第２抽出電極との間に配置され得る。供試面、第１壁、及び第２壁は、同じ電圧を有し得る。本装置は、第１抽出電極の開口部を通過する陰イオンを分析するための第１質量分析計と、第２抽出電極の開口部を通過する陽イオンを分析するための第２質量分析計とを備え得る。第１質量分析計は、飛行時間型質量分析計、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、及び運動量分析計のうちの少なくとも１つを含み得る。第１質量分析計は、シンチレーション検出器、マイクロチャネルプレート検出器、電子増倍管、及び電流検出器のうちの少なくとも１つを含む、第１検出器を含み得る。第１及び第２壁は、試料を通る平面を基準にして対称であってよい。第１及び第２抽出電極は、試料を通る平面を基準にして対称であってよい。第１及び第２壁の各開口部は、長尺状の形状を有し得る。第１及び第２壁の各開口部は、矩形形状を有し得る。本装置は、試料から放出された中性粒子をイオン化し分析するための第３質量分析計を備え得る。

別の態様において、一般的に、装置は、陽イオン及び陰イオンの進行方向を変更し、また、陽及び陰イオンを加速させるための電極を備える。これらの電極は、複数の電圧に接続された面を有し、これらの面は、電界を発生させて、第１飛跡調整段、第１加速段、第２飛跡調整段、及び第２加速段を形成する。第１飛跡調整段の電界は、陰イオンの進行方向を変え、陰イオンを第１加速段へ向けて進ませる。第１加速段の電界は、陰イオンを加速させる。第２飛跡調整段の電界は、陽イオンの進行方向を変え、陽イオンを第２加速段へ向けて進ませる。第２加速段の電界は、陽イオンを加速させる。

本方法の具体例は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。本装置は、陽及び陰イオンを発生させるためのイオン源を備え得る。イオン源は、レーザーアブレーションイオン源、マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化（ＳＥＬＤＩ；ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）イオン源、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）イオン源、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、二次イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源、及び化学イオン化（ＣＩ）イオン源のうちの少なくとも１つを含む。

他の態様において、一般的に、二極性飛行時間型質量分析計は、陽イオン及び陰イオンを発生させる二極性イオン発生器と、陰イオンのビームを受け取るための第１飛行管と、第１飛行管中を進む陰イオンを検出するための第１イオン検出器と、陽イオンのビームを受け取るための第２飛行管と、第２飛行管中を進む陽イオンを検出するための第２イオン検出器とを備える。この二極性イオン発生器は、供試面から陽イオン及び陰イオンを発生させるためのイオン源と、陰イオンを案内し陰イオンのビームに集束させる電界を発生させるための電極とを備え、電界は、更に、陽イオンを案内して陽イオンのビームに集束させる。

この方法の具体例は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。陰イオンを第１質量分析計へ向けて案内することは、第１壁によって画成された第１開口部に陰イオンを通すことを含み、陽イオンを第２質量分析計へ向けて案内することは、第２壁によって画成された第２開口部に陽イオンを通すことを含み得る。この方法は、供試面、第１壁、及び第２壁を同じ電圧に接続することを含み得る。この方法は、材料から放出された中性分子を分
析することを含み得る。この方法は、試料を通る平面を基準にして対称に第１及び第２抽出電極を配置することを含み得る。

供試面は、第１及び第３電界の影響を受け易い位置に配置され得る。第１加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第１飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高くてよい。

本発明の装置及び方法の利点には、以下のうちの１つ以上が含まれる。試料から発生した陽及び陰イオンは、双方共、極性切り替えのための時間遅延無しで同時に分析され、このため、質量分析計は、陽及び陰イオン双方を正確にリアルタイムで測定し得る。この特性のために、多くのサンプリング位置における両電荷極性の試料組成は、多くの実験事象において、疑いの余地無く決定され得る。物質の質量及び構造的な情報は、陽及び陰イオンのスペクトルの特徴を比較することによって得ることができる。従って、本発明の方法は、生物組織の分析等において、構成分子間の価値ある相関情報を明らかにし得る。本発明の質量分析計は、複雑な試料混合物を調べるために用いられ得る。本発明の質量分析計は、試料の分子のイオン化特性並びにＭＡＬＤＩに関わるイオン化反応を調査するために用いられ得る。本発明の装置及び方法は、表面上の凝縮相試料の分析に用いられ得る。例えば、生物組織試料が供試面に置かれ、この試料から発生した中性種、陰イオン、及び陽イオンが同時に分析され得る。更に、本発明の装置及び方法は、材料表面の成分の分析に用いられ得る。例えば、生物組織の成分又は半導体チップの選択部位の不純物は、陽及び陰イオン双方を同時に監視することによって分析され得る。

二極性質量分析計を示す概略図。 二極性質量分析計を示す概略図。 二極性イオン発生器を示す概略図。 二極性イオン発生器を示す断面図。 電位場を示すグラフ。 二極性イオン発生器を示す断面図。 高電圧減結合器を示す回路図。 質量スペクトルを示す図。 質量スペクトルを示すグラフ。 カチオン、アニオン、及び中性粒子を分析可能な質量分析計を示す概略図。

［システム概要］
図１において、二極性飛行時間型（ＤＴＯＦ）質量分析計（ＭＳ）１００は、陰イオン１０６及び陽イオン１１０の質量スペクトルを同時に決定し得る。陰及び陽イオンは、例えば、マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）法を用いて、二極性イオン発生器１０２の供給電極の表面１５０上に配置された試料から発生され得る。陰及び陽イオンが発生すると、陰及び陽イオンは、それぞれ陰質量分析計１０４及び陽イオン質量分析計１０８へ向かって同時に抽出される。

陰質量分析計１０４は、飛行管１１６と、飛行管１１６を進む陰イオン１０６を検出する陰イオン検出器１２０とを備える。陽質量分析計１０８は、飛行管１１８と、飛行管１１８を進む陽イオン１１０を検出する陽イオン検出器１２２とを備える。負及び陽質量分析計１０４，１０８は、イオン発生器１０２の対向する側に配置され、例えば、イオン発生器１０２を基準にして対称であってよい。検出器１２０，１２２のそれぞれの出力信号２９０，２９２は、陰及び陽イオンの質量スペクトルを記録する信号取り込み装置１９２
（例えば、デジタル蓄積型オシロスコープ又はコンピュータ）へ送られる。

図２は、マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源１１２を用いて、陰及び陽イオン１０６，１１０を発生させる二極性飛行時間型質量分析計１００の一例の概略図である。ＭＡＬＤＩ源１１２には、マトリックスに埋め込まれた試料１４６が含まれる。レーザ光源１１４は、試料１４６を照射して、陽及び陰イオン１１０，１０６を発生させるレーザ光１２４を発生させる。

試料１４６は、例えば、塩、合金、半導体材料、半導体チップ、粒子、化学物質、生体分子、生理分泌液、生物組織、皮膚、金属、及び（荷電粒子で構成されたガスビームを含み得る）プラズマであってよい。質量分析計１００は、レーザ光１２４が表面層だけを活性化して陽及び陰イオンを発生させるように構成することによって、試料１４６の表面特性を分析し得る。質量分析計１００は、更に、レーザ光１２４が材料の層を連続的に剥離して、試料の内部を明らかにし、また、内部から陽及び陰イオンを発生させるように構成することによって、表面層の真下の試料のより深い部位を分析し得る。

質量分析計１００を用いた試料の分析には、エアロゾル飛行時間型質量分析計（ＡＴＯＦ ＭＳ）の場合のように、イオン化前に試料から小さい中性粒子を発生させる必要がない。エアロゾルＴＯＦ ＭＳでは、中性粒子は、試料から導出され、経路に沿って加速され、飛行する粒子がイオン化位置に達すると、レーザ光によってイオン化される。従って、試料を極小片に分割せずに、エアロゾルＴＯＦ ＭＳを用いてバルク試料の表面特性を分析することは困難な場合がある。これと比較して、質量分析計１００に用いられる試料は、後述のイオン源電極に試料を収容できる限り、数ミリメートル又はそれ以上の寸法を有し得る。従って、質量分析計１００を用いて、例えば、半導体チップ又は生物組織片の表面特性を調査することは、容易である。

イオン発生器１０２は、イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂを備える。供給電極１３０は、試料１４６が置かれる供試面１５０を備える（図３及び４参照）。供給電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂは、逆方向に陰及び陽イオンを案内し加速させるための分布を有する電界であって、陰及び陽イオンをそれぞれ飛行管１１６，１１８へ向けて案内するための電界を発生させるように構成される。

電界は、同様な質量対電荷比を有する粒子が、質量分析計にほぼ同じ速度で入射するように、陰及び陽イオン１０６，１１０をそれぞれ負及び陽質量分析計１０４，１０８へ向けて案内する。

幾つかの例において、抽出電極１２６ａ，１２６ｂは、イオン源電極１３０の対向する側に配置され、イオン源電極１３０を基準にして対称である。同様に、抽出電極１２８ａ，１２８ｂは、イオン源電極１３０の対向する側に配置され、イオン源電極１３０を基準にして対称である。

供給電極１３０及び抽出電極１２６ａ１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂによって発生される５つの電界が存在する。第１電界は、３つの側面が供試面１５０及び壁１６０，１６２の内面によって囲まれた開放領域３００に配置されている。第２電界は、供給電極１３０と抽出電極１２６ａとの間に配置されている。第３電界は、供給電極１３０と抽出電極１２６ｂとの間に配置されている。第４電界は、抽出電極１２６ａ，１２８ａの間に配置されている。第５電界は、抽出電極１２６ｂ，１２８ｂの間に配置されている。第２及び第３電界は、供給電極１３０を基準にして第２及び第３電界の極性が反対であることを除き、イオン源電極１３０を基準にして対称である。同様に、第４及び第５電界は、供給電極
１３０を基準にして第４及び第５電界の極性が反対であることを除き、イオン源電極１３０を基準にして対称である。

本説明では、ｘ，ｙ，ｚ軸を有する直交座標系を用いて、質量分析計１００の構成要素の方位を記述する。軸の原点は、試料１４６が配置されている供試面１５０（図４参照）の中心にある。ｚ軸は、供試面１５０に垂直である。飛行管１１６，１１８の軸は、ｘ軸に平行である。陰イオン１０６及び陽イオン１１０は、それぞれ飛行管１１６，１１８の−ｘ，＋ｘ方向に伝わる。

幾つかの例において、抽出電極１２６ａは、イオン源電極１３０より高い電圧を有しており、この電圧は、陰イオン１１０を−ｘ方向に加速させるための第１加速段１６６ａを形成する電界を発生させる。抽出電極１２８ａは、抽出電極１２６ａよりわずかに低い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陰イオン１０６を集束させて、イオン１０６が、飛行管１１６の軸に平行な経路に沿って進むようにイオン１０６の飛跡を調整する。

抽出電極１２６ｂは、イオン源電極１３０より低い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陽イオン１１０を＋ｘ方向へ向けて加速させるための第１加速段１６６ｂを形成する。抽出電極１２８ｂは、抽出電極１２６ｂよりわずかに高い電圧を有し、電界を発生させ、この電界により、陽イオン１１０を集束させて、イオン１１０が、飛行管１１８の軸に平行な経路に沿って進むようにイオン１１０の飛跡を調整する。

抽出電極１２６ａ，１２８ａに印加された電圧並びに抽出電極１２６ｂ，１２８ｂに印加された電圧は、イオン源電極１３０の電圧を基準にして反対の極性を有することを除き、イオン源電極１３０の電圧を基準にして対称である。これは、例えば、抽出電極１２６ｂの電圧がイオン源電極１３０より低い量と同じ量だけ、抽出電極１２６ａの電圧が、イオン源電極１３０より高いことを意味する。

陰イオン検出器１２０は、例えば、マイクロチャネルプレート検出器であってよい。同様に、陽イオン検出器１２２は、例えば、マイクロチャネルプレート検出器であってよい。負及び陽質量分析計１０４，１０８は、イオン発生器１０２の対向する側に配置される。負及び陽質量分析計１０４，１０８は、例えば、イオン発生器１０２を基準にして対称であってよい。イオン発生器１０２は、ソースチャンバ（図示せず）、例えば、飛行管１１６，１１８に結合するための開口部を有する六分割立方体チャンバに収容される。

陽イオン検出器１２２の出力信号２９２は、データ取り込み装置１９２の第１チャネルによって測定される。陰イオン検出器１２０の出力信号２９０は、回路１９４を通して終端され、また、データ取り込み装置１９２の第２チャネルによって測定される。後述するように、回路１９４は、陰イオン検出器１２０に印加された高電圧によるデータ取り込み装置１９２の破壊防止のための電圧絶縁回路を含む。

図３において、イオン源電極１３０は、供試面１５０及び壁１６０，１６２によって画成された開放領域３００を含む。レーザ光１２４は、開放領域３００を通って、供試面１５０に配置された試料１４６を照射する。壁１６０は、陰イオン１０６を通過させて抽出電極１２６ａへ向けて進ませるための矩形スロット（開口部）１５４ａ（図３中には表示せず）を有する。壁１６２は、陽イオン１１０を通過させて抽出電極１２６ｂへ向けて進ませるための矩形スロット１５４ｂを有する。供試面１５０及び壁１６０，１６２は、電気的に接続され、全て同じ電位を有する。

イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２８ａは、陰イオン用の２つの加速段１
６６ａ，１６８ａを形成する。イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ｂ，１２８ｂは、陽イオン用の２つの加速段１６６ｂ，１６８ｂを形成する。イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２８ａ，１２６ｂ，１２８ｂは、例えば、互いに等間隔に離間したステンレス鋼の電気板であってよい。ステンレス鋼電気板の表面は、互いに平行であってよい。

図４は、イオン発生器１０２並びに飛行管１１６，１１８の断面図である。飛行管１１６，１１８内の領域は、ほとんど無電界ドリフト領域である。抽出電極は、飛行管１１６，１１８の軸に平行な飛跡に沿ってイオンを案内する電位を発生させ、イオンが、飛行管長を進んだ後、イオン検出器１２０，１２２に達することを保証する。

イオン発生器１０２の特徴は、脱離イオンが、供試面１５０からほぼ上（＋ｚ）方向に放出されることである。そして、イオンは、電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂによって発生した電界で案内される。陰イオンは、飛行管１１６の軸に平行な方向に集束及び案内される。陽イオンは、飛行管１１８の軸に平行な方向に集束及び案内される。

イオン発生器１０２の他の特徴は、供試面１５０付近の矩形スロット１５４ａ，１５４ｂを用いることである。矩形スロット１５４ａ，１５４ｂは、それぞれ、イオン源電極１３０の表面１６０，１６２によって画成される。矩形開口部を用いる方が、円形の開口部又は（表面１６０，１６２の上部がない）広く開いた構造を用いるより良いが、その理由は、矩形開口部は、ｙ軸に沿った歪みがあまり大きくない電界勾配を発生させるためである。イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂによって発生した電界は、それぞれ、飛行管１１８，１１６へ向けて飛跡に沿って陽及び陰イオンを案内し得るより良い形状を有する。

ｙ方向に長尺の開口部であって、この開口部が試料１４６付近に配置されると、電界が、試料１４６付近でｙ軸に沿ってほぼ一定になり得る。このことは、イオンを集束させる際並びに飛行管１１６，１１８へ向けてイオンを案内する際に役立つ。

イオンが、試料１４６から脱離される場合、イオンの大部分が、最初、＋ｚ方向に沿って進み、そして、徐々に、ｘ軸側（陰イオンが−ｘ方向側、陽イオンが＋ｘ方向側）に曲がる。一例として、陽イオン１１０を用いて、イオン１１０が供試面１５０から放出される場合、イオン１１０は、最初、＋ｚ方向に進み、そして、電界勾配によって−ｚ方向にわずかに引き戻される。陽イオン１１０矩形スロット１５４ｂを通過した後、陽イオン１１０は、第１及び第２加速領域１６６ｂ，１６８ｂを進み、無電界飛行管１１８に入射する。

矩形スロット１５４ｂ及び円形の開口部１５６ｂ，１５８ｂの構成は、適切な伝達効率を提供し、また、陽イオン１１０の大部分が、イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ｂ，１２８ｂの壁に当ることなく、飛行管１１８に達し得ることを意味する。第２抽出電極１２８ｂの電圧は、飛行管１１８及び第１抽出電極１２６ｂより高い。この構成は、開口部１５８ｂ付近でイオン集束効果を生み出し、また、陽イオン１１０の伝達効率を、例えば、約２倍増大し得る。

抽出電極１２６ａ，１２８ａ及び孔１５６ａ，１５８ａの構成は、イオン源電極１３０を基準にして、それぞれ、抽出電極１２６ｂ，１２８ｂ及び孔１５６ｂ，１５８ｂのミラー構成である。

図５は、イオン源電極１３０内及び付近の電位のメッシュ図を示す。本例では、壁１６
０，１６２は、同一電位を有することから、供試面１５０上方の領域１７４は、実質的に一定の電位を有する。イオン源電極１３０より高い電圧を有する抽出電極１２６ａからの影響により、矩形スロット１５４ａ付近の電位は、領域１７４より高い。

イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂは、陰及び陽イオンが供試面１５０から放出された後、それらイオンの飛跡を調整する特定の分布を有する電界を発生させる。この電界は、陰及び陽イオン１０６，１１０各々の飛跡調整段を形成する。例えば、陰及び陽イオン１０６，１１０は、供試面１５０から放出された時、最初、ほぼ＋ｚ方向に沿って進む。電界分布は、陰イオン１０６の飛跡を調整し、陰イオン１０６を矩形スロット１５４ａへ向けてほぼ＋ｚ方向からほぼ−ｘ方向に案内する。同様に、この電界分布は、陽イオン１１０の飛跡を調整し、陽イオン１１０を矩形スロット１５４ｂへ向けてほぼ＋ｚ方向からほぼ＋ｘ方向に案内する。

陰及び陽イオン１０６，１１０が、供試面１５０からそれぞれ矩形スロット１５４ａ，１５４ｂに進む場合、陰及び陽イオン１０６，１１０の加速度は、加速段１６６ａ，１６６ｂのイオンの加速度と比較して、小さい。例えば、加速段１６６ａにおける陰イオン１０６の平均運動エネルギは、飛跡調整段における陰イオン１０６の平均運動エネルギより（即ち、陰イオン１０６が供試面１５０から矩形スロット１５４ａに進んでいる場合）、１０倍、１００倍、又は１０００倍以上大きくてよい。

供試面１５０及び壁１６０，１６２によって囲まれた領域内における電界は、陰イオン１０６の進行方向をほぼ＋ｚ方向からほぼ−ｘ方向に変える。従って、ほぼ同じ質量対電荷比を有する陰イオン１０６は、矩形スロット１５４ａを通過する際、実質的に同じ速度を有し、第１及び第２加速領域１６６ａ，１６８ａにおいて実質的に同じ加速度を有し、そして、飛行管１１６に入射する際、実質的に同じ速度を有する。同様に、実質的に同一質量対電荷比を有する陽イオン１１０は、飛行管１１８に実質的に同じ速度で入射する。

図６において、イオン源電極１３０には、更に、中心板１７０及び２つの隣接する板１７２ａ，１７２ｂ等の別個の構成要素を含み得る。中心板１７０は、試料１４６が置かれる供試面１５０を有する。板１７２ａ，１７２ｂは、図４に示すものと同様な矩形スロット１５４ａ，１５４ｂをそれぞれ有する。中心板１７０及び隣接板１７２ａ，１７２ｂは、電気的に接続され、同じ電位を有する。

［実験準備及び測定結果］
以下、実験を行うために用いた二極性飛行時間型質量分析計１００の例について述べる。イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂは、各々、４０ｍｍ×１００ｍｍの幅×長さを有し、互いに等間隔に６ｍｍだけ離間されている。試料電極１３０は、厚さ６ｍｍを有する。各抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂは、厚さ３ｍｍを有する。各矩形スロット１５４ａ，１５４ｂは、寸法２６ｍｍ×３ｍｍを有し、試料板の前側１３１から１８ｍｍ離して配置されている。各円形開口部１５６ａ，１５６ｂ，１５８ａ，１５８ｂは、直径５ｍｍを有する。開口部１５６ａ，１５６ｂの中心は、＋ｚ方向においてｘ軸から１．５ｍｍ離間しており、開口部１５８ａ，１５８ｂの中心は、＋ｚ方向においてｘ軸から２．５ｍｍ離間している。

各飛行管１１６，１１８は、内径３２ｍｍ及び長さ１１２３ｍｍを有し、それぞれ、抽出電極１２８ｂ，１２８ａから電気的に絶縁されている。ソースチャンバの圧力は、測定中、３×１０^−７ミリバールに維持した。飛行管１１６，１１８は、双方共、ｘ軸に平行な中心軸であって、ｘ軸から＋ｚ方向に２．５ｍｍオフセットして位置合わせされた中心軸を有し、また、５×１０^−７ミリバール未満に差動排気する。マイクロチャネルプレート検出器１２０，１２２は、それぞれ、飛行管１１６，１１８から約２５ｍｍ離して配置
しており、追加の差動排気段はない。

電圧は、供給電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂに連続的に印加される。基準電圧＋５．９ｋＶは、イオン源電極１３０に印加される。抽出電極及びイオン検出器に印加された電圧は、反対極性を有することを除き、基準電圧に関して対称である。第１組の抽出電極１２６ａ，１２６ｂに印加された電圧は、それぞれ、＋２．５ｋＶ，＋９．３ｋＶである。第２組の抽出電極１２８ａ，１２８ｂの電位は、それぞれ、＋３．８ｋＶ，＋８ｋＶである。飛行管１１８，１１６に印加された電圧は、それぞれ、０Ｖ，＋１１．８ｋＶである。

検出器１２０，１２２の回路は、陽イオン検出器１２２が低電圧範囲で動作し、陰イオン検出器１２０が高電圧範囲で動作することから、異なる。マイクロチャネルプレート検出器１２２は、それぞれ、電圧−２２００Ｖ，−２００Ｖ，０Ｖに接続される入口側１４０、出口側１４２、及びアノード１４４を有する。比較すると、マイクロチャネルプレート検出器１２０は、それぞれ、電圧＋１４ｋＶ，＋１６ｋＶ，＋１６．２ｋＶに接続される入口側１３４、出口側１３６、及びアノード１３８を有する。

陰イオン検出器１２０に用いる高バイアス電圧のために、マイクロチャネルプレート組立体を、約２０．３２センチメートル（８インチ）のアクリルフランジアダプタを用いることによって、絶縁し、（飛行管の）真空チャンバから６７ｍｍ離して配置した。検出器組立体のフレームは、＋１４ｋＶでバイアスし、電極周辺の電圧差を低減し、これによって、陰イオン検出器１２０の動作時高電圧絶縁破壊を防止した。

データ取り込み装置１９２の場合、５００ＭＨｚデジタル蓄積型オシロスコープを用いた。オシロスコープ１９２は、数ボルトの信号を受け取ることから、ＤＣ減結合回路を用いて、オシロスコープ１９２からマイクロチャネルプレート検出器１２０の高バイアス電圧を絶縁した。

図７において、回路１９４を用いて、マイクロチャネルプレート検出器１２０からの信号を終端した。回路１９４には、マイクロチャネルプレート検出器１２０をデジタル蓄積型オシロスコープ１９２から減結合するためのＤＣ減結合回路１８０が含まれる。減結合回路１８０は、マイクロチャネルプレート検出器１２０から信号を受け取るノード１８２と、デジタル蓄積型オシロスコープ１９２に接続するノード１８４と、＋１６．２ｋＶに接続するノード１８６と、を有する。減結合回路１８０は、デジタル蓄積型オシロスコープ１９２を陰イオン検出器１２０からの＋１６．２ｋＶバイアス信号から絶縁する。

減結合回路１８０には、高電圧定格を有する２つのコンデンサ１８８，１９０が含まれる。例えば、コンデンサ１８８，１９０は、それぞれ容量２ｎＦ及び１０ｎＦを有する高電圧セラミックコンデンサであってよく、各々、４０ｋＶの定格を有する。回路１８０は、周囲の環境から電気的に絶縁されたガラス筐体に密閉される。コンデンサの高電圧側にある導線は、ほとんど、例えば、１００ｋＶの電圧定格でシリコーン差込口の構成である。コンデンサは、回路１８０の短絡防止のための接地被覆でシールドされていない。

マイクロチャネルプレート検出器１２０からの信号２９０は、ＤＣ減結合回路１８０を通過して、抵抗器３１０によって終端される。信号２９０は、デジタル蓄積型オシロスコープ１９２の第１チャネルによって測定される。比較すると、マイクロチャネルプレート検出器１２２からの信号２９２は、他の抵抗器によって直接終端され、デジタル蓄積型オシロスコープ１９２の第２チャネルによって測定される。

パルス式周波数トリプレットＮｄＹＡＧレーザ（３５５ｎｍ）は、レーザ光源１１４と
して用いられる。レーザ光１２４のパワーは、調査対象試料１４６に依存して、約２乃至１０μＪに減衰される。レーザ光１２４は、ソースチャンバの石英ガラス窓を通過して、試料１４６を照射する。レーザ光１２４は、供試面１５０に垂直に位置合わせされる。

以下、上記質量分析計１００の例を用いた実験の結果について述べる。これらの実験には、多数の生物標本を用いたが、これらには、インシュリン鎖Ｂ（Ｍ．Ｗ．＝３４９５．９Ｄａ）、馬骨格筋ミオグロビン（Ｍ．Ｗ．＝１６９５１．５Ｄａ）、並びにアンギオテンシンＩ（Ｍ．Ｗ．＝１２９６．７Ｄａ）、副腎皮質刺激ホルモン（ＡＣＴＨ）片１−１７（Ｍ．Ｗ．＝２０９３．１Ｄａ）、ＡＣＴＨ片１８−３９（Ｍ．Ｗ．＝２０６５．２Ｄａ）、ＡＣＴＨ片７−３８（Ｍ．Ｗ．＝３６５７．９Ｄａ）、及びインシュリン（Ｍ．Ｗ．＝５７３０．６Ｄａ）を含む較正タンパク質混合物が含まれる。ここで、“Ｍ．Ｗ．”とは、分子量を意味する。

本実験では、タンパク質及び様々な分子量のタンパク質混合物を測定した。図８の８Ａは、マトリックスとしてＴＨＡＰを含む５０ｐｍｏｌｅインシュリンＢ鎖のカチオン／アニオンスペクトルを示すグラフ２００である。スペクトルは、約２００回のレーザ照射に基づき得た。

図８の８Ｂは、マトリックスとしてＣＨＣＡを備えたミオグロビンのカチオン／アニオンスペクトルを示すグラフ２１０である。スペクトルは、約１０００回のレーザ照射に基づき得た。

図９は、タンパク質較正混合物から発生させた陽及び陰イオンの質量スペクトルを示すグラフ２４０である。混合物は、２０ｐｍｏｌｅのアンギオテンシンＩ、２０ｐｍｏｌｅのＡＣＴＨ片１−１７、１５ｐｍｏｌｅのＡＣＴＨ片１８−３９、３０ｐｍｏｌｅのＡＣＴＨ片７−３８、及び３５ｐｍｏｌｅのインシュリンを用いて調製した。正又は負のいずれかに帯電した全てのタンパク質が、グラフ２４０において、疑いの余地無く識別された。

図１０は、陽イオン、陰イオン、及び中性粒子を同時に分析し得る質量分析計２７０の一例の断面図である。質量分析計２７０は、ＭＡＬＤＩにおいて発生する様々な種類の陽及び陰イオン並びに中性粒子を研究するために、また、タンパク質のエネルギ論並びに電気的に中性な系のタンパク質複合体におけるそれらの相互作用を詳細に調べるために用いられ得る。

分光計２７０は、陰イオンを分析するための陰質量分析計１０４と、陽イオンを分析するための陽質量分析計１０８と、中性粒子を分析するための第３質量分析計２７２とを備える。第３質量分析計２７２は、イオン源電極１３０の前（即ち、＋ｚ方向）に配置された電極２７４，２７６によって画成されるイオン化領域２８０を備える。試料から放出された中性粒子は、（図１２において、“Ｘ”によって印した）位置に達すると、レーザ光２８２（例えば、２４８ｎｍエキシマーレーザ）又は電子ビームによってイオン化される。電極２７４，２７６及び追加の電極２７８は、イオン粒子を第３質量分析計２７２の飛行管２７１に向かって加速させる電界勾配を発生させる電圧を有する。

［代替例］
飛行時間型質量分析計を用いる代わりに、各質量分析計１０６，１０８，２７２は、例えば、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、又は運動量分析計を用い得る。質量分析計１００の様々な構成要素の寸法は、上述したものに限定されない。レーザ光源１１４の種類は、上述したものと異なってよい。マイクロチャネルプレートを用いる代わりに、各検出
器１２０，１２２は、例えば、シンチレーション検出器、電子増倍管、又は電流検出器を備えてよい。

図２において、分析試料は、必ずしもマトリックス中で混合されなくてよい。例えば、レーザーアブレーション（この場合、マトリックス分子を用いることなく、試料分子がレーザによって直接励起される）、集中電子ビームイオン化、高速原子衝撃を用いて陽及び陰イオンを発生させてよい。レーザ１１４を用いて試料１４６を活性化する代わりに、試料１４６は、例えば、電子ビーム、イオンビーム、又は活性化荷電粒子を含む高速原子ビームを用いることによって活性化されてよい。荷電粒子は、電流又はレーザによって発生され、電界によって集束させることができる。高速原子ビームは、超音波膨張によって発生させることができる。

更に、図２のようにＭＡＬＤＩ源を用いる代わりに、例えば、表面増強レーザ脱離イオン化（ＳＥＬＤＩ）イオン源、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）イオン源、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、二次イオン源、又は化学イオン化（ＣＩ）イオン源も用いることができる。ＥＳＩ、ＥＩ、及びＣＩイオン源の場合、試料電極１３０の試料プローブが中空管になるように変更でき、又は、プローブを除去してトンネルを空にすることができる。これらイオン源（ＥＳＩ，ＥＩ，ＣＩ）のイオンは、試料電極１３０外で発生し、試料電極１３０の中空管（又はトンネル）に沿って案内される。イオンが中空管（又はトンネル）端を通って出ると、イオンは、矩形スロット１５４ａ，１５４ｂへ向けて案内され向けられて、それぞれ飛行管１１８，１１６へ向けて加速される。

イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂに印加された電圧は、上述のものと異なってよい。図４において、抽出電極１２８ｂに印加された電圧は、必ずしも抽出電極１２８ａに印加された電圧より高くなくてよい。同様に、抽出電極１２６ｂに印加された電圧は、必ずしも抽出電極１２６ａに印加された電圧より低くなくてよい。

イオン源電極１３０の異なる構成は、異なる種類のイオン源に用いられ得る。各種類のイオン源の場合、イオン源電極１３０の幾何学的形状及び寸法並びにイオン源電極１３０に印加された１つ以上の電圧は、イオンが加速領域に入射する前に、それぞれ陽及び陰イオン１１０，１０６をほぼ＋ｘ，−ｘ方向へ向ける電界分布を発生させるように、調整する。陽及び陰イオンは、加速領域に入射する際、必ずしもｘ軸に平行な方向に進まねばならないとは限らず、また、ｘ軸を基準にしてわずかな角度で傾斜させることができる。

イオン源電極１３０及び抽出電極１２６ａ，１２６ｂ，１２８ａ，１２８ｂの幾何学的形状は、上述したものと異なってよい。図６において、電極１３０の異なる構成要素は、電界分布によって、陽イオンが、集束され、矩形スロット１５４ａを通って案内され、また、陰イオンが、集束され、矩形スロット１５４ｂを通って案内される限り、必ずしも同じ電位でなければならないとは限らない。
上記説明は、例示を意図しており、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項範囲によって規定されることを理解されたい。他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

Claims (26)

1. 二極性飛行時間型質量分析計であって、
   供試面から陽イオン及び陰イオンを発生させるイオン源と、陰イオンを案内して陰イオンのビームへと集束させるとともに、陽イオンを案内して陽イオンのビームへと集束させるための電界を発生させる電極とを備える二極性イオン発生器と、
   陰イオンのビームを受け取るための第１飛行管と、
   第１飛行管中を進む陰イオンを検出するための第１イオン検出器と、
   陽イオンのビームを受け取る第２飛行管と、
   第２飛行管中を進む陽イオンを検出するための第２イオン検出器と、からなる二極性飛行時間型質量分析計。
2. 電界中に配置された供試面に置かれた材料から陽イオン及び陰イオンを発生させることと、
   前記電界の第１部分を用いて、第１質量分析計へ陰イオンを案内することと、
   前記電界の第２部分を用いて、第２質量分析計へ陽イオンを案内することと、
   第１質量分析計を用いて陰イオンを分析することと、
   第２質量分析計を用いて陽イオンを分析することと、からなる方法。
3. 第１質量分析計へ陰イオンを案内することは、第１壁によって画成された第１開口部を陰イオンに通過させることを含み、
   第２質量分析計へ陽イオンを案内することは、第２壁によって画成された第２開口部を陽イオンに通過させることを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記供試面、第１壁、及び第２壁を同じ電圧に接続することを含む請求項２に記載の方法。
5. 前記材料から放出され、第２レーザ光及びエネルギ粒子流のうちの１つ以上によってイオン化された中性粒子を分析することを含む請求項２に記載の方法。
6. 第１質量分析計へ陰イオンを案内することは、前記供試面より高い電圧を有する第１抽出電極を用いて、第１質量分析計へ向けて陰イオンを加速させることを含み、
   第２質量分析計へ陽イオンを案内することは、前記供試面より低い電圧を有する第２抽出電極を用いて、第２質量分析計へ向けて陽イオンを加速させることを含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記試料を通る平面を基準にして対称に第１及び第２抽出電極を配置することを含む請求項６に記載の方法。
8. 供試面から陽イオン及び陰イオンを提供することと、
   前記供試面から放出された陰イオンの進行方向を変更するための第１飛跡調整段を形成する分布を有する第１電界を発生させることと、
   陰イオンを加速させるための第１加速段を形成する分布を有する第２電界を発生させることと、
   前記供試面から放出された陽イオンの進行方向を変更するための第２飛跡調整段を形成する分布を有する第３電界を発生させることと、
   陽イオンを加速させるための第２加速段を形成する分布を有する第４電界を発生させることと、からなる方法。
9. 前記供試面は第１及び第３電界の影響を受ける位置に配置される請求項８に記載の方法
   。
10. 第１加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第１飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高い請求項８に記載の方法。
11. 供試面を備えるイオン源電極と、供試面上には、レーザ光及びエネルギ粒子流のうちの１つ以上によって励起されると、少なくとも陽イオン及び陰イオンを提供する試料が配置されることと、
    前記供試面より高い電圧に接続され、前記供試面から陰イオンを引きつける第１抽出電極と、第１抽出電極は陰イオンを通過させる開口部を有することと、
    前記供試面より低い電圧に接続され、前記供試面から陽イオンを引きつける第２抽出電極と、第２抽出電極は陽イオンを通過させる開口部を有することと、
    第１及び第２抽出電極は前記イオン源電極の対向する側に配置されることと、からなる装置。
12. 前記イオン源電極は、第１壁及び第２壁を備え、第１壁は陰イオンを通過させる開口部を有するとともに、前記供試面と第１抽出電極との間に配置されており、第２壁は陽イオンを通過させる開口部を有するとともに、前記供試面と第２抽出電極との間に配置されている請求項１１に記載の装置。
13. 前記供試面、第１壁、及び第２壁は、同じ電圧を有する請求項１２に記載の装置。
14. 第１抽出電極の前記開口部を通過する陰イオンを分析するための第１質量分析計と、
    第２抽出電極の前記開口部を通過する陽イオンを分析するための第２質量分析計と、をさらに備える請求項１１に記載の装置。
15. 第１質量分析計は、飛行時間型質量分析計、四重極質量分析計、イオントラップ質量分析計、扇形磁場型質量分析計、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計、及び運動量分析計のうちの１つ以上を含む請求項１４に記載の装置。
16. 第１質量分析計は、シンチレーション検出器、マイクロチャネルプレート検出器、電子増倍管、及び電流検出器のうちの１つ以上を含む第１検出器を備える請求項１４に記載の装置。
17. 第１及び第２壁は、前記試料を通る平面を基準にして対称である請求項１１に記載の装置。
18. 第１及び第２抽出電極は、前記試料を通る平面を基準にして対称である請求項１１に記載の装置。
19. 第１及び第２壁の前記開口部の各々は、長尺状の形状を有する請求項１１に記載の装置。
20. 第１及び第２壁の前記開口部の各々は、矩形の形状を有する請求項１９に記載の装置。
21. 前記イオン源電極は、マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化（ＳＥＬＤＩ）イオン源、及びレーザーアブレーションイオン源のうちの１つ以上を含む請求項１１に記載の装置。
22. 前記試料から放出され、第２レーザ光及び第２エネルギ粒子流のうちの１つ以上によっ
    てイオン化された中性粒子を分析するための第３質量分析計を更に備える請求項１１に記載の装置。
23. 陽イオン及び陰イオンの進行方向を変更するとともに、陽及び陰イオンを加速させるための電極と、前記電極は複数の電圧に接続された表面を有することと、前記表面は、第１飛跡調整段、第１加速段、第２飛跡調整段、及び第２加速段を形成する電界を発生させることと、
    第１飛跡調整段における前記電界は、陰イオンの進行方向を変え、陰イオンを第１加速段に向けて進めることと、第１加速段における前記電界は陰イオンを加速させることと、第２飛跡調整段における前記電界は、陽イオンの進行方向を変え、陽イオンを第２加速段に向けて進めることと、第２加速段における前記電界は陽イオンを加速させることと、からなる装置。
24. 陽及び陰イオンを発生させるためのイオン源を更に備え、前記イオン源は、レーザーアブレーションイオン源、マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源、表面増強レーザ脱離イオン化（ＳＥＬＤＩ）イオン源、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳｌ）イオン源、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、二次イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源、及び化学イオン化（ＣＩ）イオン源のうちの１つ以上を含む請求項２３に記載の装置。
25. 第１加速段における陰イオンの平均加速エネルギは、第１飛跡調整段における陰イオンの平均加速エネルギより高い請求項２３に記載の装置。
26. 第２加速段における陽イオンの平均加速エネルギは、第２飛跡調整段における陽イオンの平均加速エネルギより高い請求項２３に記載の装置。

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