JP7215591B2 - イメージング質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、イメージング質量分析装置に関する。

質量分析イメージング法は、生体組織切片などの試料の2次元領域内の複数の測定点に対してそれぞれ質量分析を行うことにより、特定の質量を有する物質の分布を調べる手法であり、創薬やバイオマーカ探索、各種疾病・疾患の原因究明などへの応用が進められている。質量分析イメージング法を実施するための質量分析装置は一般にイメージング質量分析装置と呼ばれている（特許文献１、非特許文献１など参照）。また、通常、試料上の任意の範囲について顕微観察を行い、その顕微観察画像に基づいて分析対象領域を定めて該領域のイメージング質量分析を実行することから、顕微質量分析装置、質量顕微鏡などと呼ばれることもあるが、本明細書では「イメージング質量分析装置」と呼ぶことにする。

イメージング質量分析装置では、一般に、レーザ脱離イオン化（ＬＤＩ）法やマトリクス支援レーザ脱離イオン化（ ＭＡＬＤＩ）法によるイオン源が使用される。ＬＤＩ法／ＭＡＬＤＩ法によるイオン源では、レンズ等を含む集光光学系によって集光されて細径に絞られたレーザ光が試料の表面に照射され、そのレーザ光の照射部位付近から試料に含まれる物質由来のイオンが発生する。そうして発生したイオンを電場の作用により試料表面付近から引き出し、イオン輸送光学系などを通して質量分析器へと導入し、質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する。

イメージング質量分析装置の測定モード（使用法）の一つに、レーザ光の照射位置を試料上で相対的に移動させることにより、試料上において或る質量電荷比を持つイオンの強度分布を表す画像を得る方法がある。この方法では、例えば対象となる試料が数十μｍ程度の小さい細胞の場合は、レーザ光の照射径を0.5μｍ程度まで絞りこむことで、細胞内における物質分布像が得られる。つまり、試料上に照射されるレーザ光の直径（照射径）はイメージング分析装置の空間分解能となる。

国際公開第2018/037491号

原田、ほか８名、「顕微質量分析装置による生体組織分析」、島津評論、第64巻、第3・4号、2008年4月24日発行、pp. 139-145

レーザ光の照射径が設定された通りになっているかどうかは、イメージング質量分析装置の空間分解能を知る上で重要である。レーザ光の照射径は、例えばスライドグラスの表面に一様に所定の色素が塗布された試料にレーザ光を照射し、その結果、アブレーションによって色素が飛散してできた痕（照射痕）の大きさを測定することにより求められる。照射痕の直径の測定には、ナイフエッジ法のような、専用の治具や測定器が必要である。そのため、従来は、レーザ光の照射径が設定された通りになっているかどうかの確認は、イメージング質量分析装置の出荷前の点検時や、出荷後の適宜のタイミングで行われる保守点検、修理等の際にサービスマンによって行われるだけで、使用者が行うことはできなかった。

本発明が解決しようとする課題は、イメージング質量分析装置の使用者が、レーザ光の集光状態を簡便に確認することができるようにすることである。

上記課題を解決するために成された本発明は、レーザ光を試料に照射することによりイオンを生成し、そのイオンを質量分析するイメージング質量分析装置であって、
前記試料に向けてレーザ光を射出するレーザ照射部と、
前記レーザ照射部と前記試料との間に配置された、前記レーザ光源から発せられるレーザ光を集光する集光光学系と、
前記レーザ照射部が射出したレーザ光の前記試料上における集光状態を確認可能な光学顕微画像である集光状態確認画像を取得する撮像部と、
前記撮像部によって取得された集光状態確認画像を表示画面に表示する表示部と
を備えるものである。

本発明の一態様であるイメージング質量分析装置では、ユーザは、表示画面に表示された集光状態確認画像を見て、レーザ照射部が射出したレーザ光の集光状態が所望の状態であるか否かを簡便に確認することができる。

本発明の一実施形態であるイメージング質量分析装置の概略構成図。 試料上に設定された確認領域の一例を示す図。 表示画面に表示された照射径確認画面の一例を示す図。

以下、本発明の一実施形態であるイメージング質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は一実施形態のイメージング質量分析装置の概略構成図である。このイメージング質量分析装置は、イオン化法として大気圧マトリクス支援レーザ脱離イオン化（ＡＰ－ＭＡＬＤＩ）法又は大気圧レーザ脱離イオン化（ＡＰ－ＬＤＩ）法が用いられ、略大気圧雰囲気に維持されるイオン化室１０と、真空ポンプ２１により真空排気される真空チャンバ２０とを備えている。

イオン化室１０には、分析対象である試料１００が載置される試料台１１が配置されている。この試料台１１は、モータを含む試料台駆動部１２からの駆動力により互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の二軸方向に移動可能に構成されている。試料台駆動部１２が本発明の照射位置移動部に相当する。試料１００は例えば生体組織からごく薄く切り出された組織切片などであり、試料１００上に適当なマトリクスを塗布する又は吹き付ける処理を行うことでＭＡＬＤＩ用の試料として調製される。

イオン化室１０の外側には、レーザ照射部３０及び撮像部４０が配置されている。レーザ照射部３０は、試料１００中の物質をイオン化するためのレーザ光３１を射出する。レーザ照射部３０から射出されたレーザ光３１は、イオン化室１０の側面に設けられた照射用窓３２及び集光光学系３３を経て試料１００の表面に照射される。集光光学系３３は集光光学系駆動部３４によりレーザ光３１の光軸方向に所定範囲で移動可能となっている。

撮像部４０は例えばＣＣＤカメラから成り、イオン化室１０の側面に設けられた撮影用窓４１及び撮影用光学系４２を介して試料台１１の上に載置された試料１００の所定の範囲を撮影する。撮像部４０で得られた撮像信号はデータ処理部５０に送られ、画像データ処理部５１で適宜のデータ処理が実行されて光学顕微画像のデータに変換される。光学顕微画像データは必要に応じて画像データ記憶部５１１に格納される。また、照射径確認画面作成部５１２は、画像データ記憶部５１１に格納された光学顕微画像のデータから照射径確認画面を作成する。この照射径確認画面のデータは、同じく前記画像データ記憶部５１１に格納される。照射径確認画面については後述する。

試料１００のレーザ光照射位置の直上には、イオン化室１０と真空チャンバ２０とを連通するイオン輸送管２２の入口端が開口している。真空チャンバ２０の内部には、電場の作用によりイオンを収束させつつ輸送するためのイオン輸送光学系２３と、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分析器及び分離されたイオンを検出する検出器を含むイオン分離・検出部２４とが設置されている。イオン分離・検出部２４で得られたるイオン強度信号はデータ処理部５０に入力され、そこに含まれる質量分析データ処理部５２で適宜のデータ処理が実行されて、例えば２次元物質分布画像が作成される。

イオン輸送光学系２３としては、例えば、静電的な電磁レンズや多極型の高周波イオンガイド、或いはそれらの組み合わせなどが用いられる。イオン分離・検出部２４における質量分析器としては、四重極マスフィルタ、リニア型イオントラップ、三次元四重極型イオントラップ、直交加速型飛行時間型質量分析器、フーリエ変換イオンサイクロトロン質量分析器、磁場セクター型質量分析器などが用いられる。

制御部６０は分析制御部６１及び照射径確認制御部６２を含む。制御部６０には、入力部６３及び表示部６４が接続されている。

上述したデータ処理部５０及び制御部６０の少なくとも一部は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含むパーソナルコンピュータ（又はより高性能なワークステーション）をハード資源として、該コンピュータにインストールされた専用の制御・処理ソフトウェアを該コンピュータ上で動作させることにより、それぞれの機能が達成される構成とすることができる。

分析制御部６１は、入力部６３からの指示に応じて、試料台駆動部１２、照射制御部３７、集光光学系駆動部３４、イオン輸送光学系２３、イオン分離・検出部２４等の動作を制御して、試料１００に対する質量分析を実行する。具体的には、分析制御部６１は照射制御部３７を介してレーザ照射部３０から試料台１１に載置された試料１００に向けてレーザ光３１を射出させる。これにより、試料１００上でレーザ光３１が照射された部位（測定点）に存在する成分がイオン化される。イオン化された成分は、イオン輸送管２２を介して真空チャンバ２０内に搬送され、そこで、質量分析が実行される。また、分析制御部６１が試料台駆動部１２を介して試料台１１をＸ－Ｙ面内で移動させる。これにより、試料１００上でレーザ光３１が照射される位置が移動し、試料１００上でのレーザ光照射位置の走査が行われる。この結果、試料１００上の２次元的な領域内の複数の測定点に対する質量分析が実行される。質量分析が実行された結果、得られた検出信号はデータ処理部５０に送られ、質量分析データ処理部５２で所定のデータ処理が行われる。質量分析データ処理部５２で行われたデータ処理の結果は、制御部６０に入力され、表示部６４に出力される。

また、照射径確認制御部６２は、入力部６３からの指示に応じて、試料台駆動部１２、照射制御部３７、集光光学系駆動部３４の動作を制御して、試料１００に対するレーザ光の照射径の確認動作を実行する。

イメージング質量分析装置では、レーザ照射部３０から出射されたレーザ光３１は、集光光学系３３で収束された後、試料１００の表面に照射される。このとき、試料１００の表面に照射されたレーザ光３１の直径（レーザ照射径）が所定の大きさになるように、集光光学系３３が配置される。一般的には、レーザ光３１が最も集光される位置、つまりはレーザ照射径が最小になる位置に試料の表面がくるように集光光学系３３が配置されるが、これに限らない。レーザ照射径が所望の大きさになるときの集光光学系３３の位置は、集光光学系３３の焦点距離によって決まる。そのため、本来は、試料１００表面から集光光学系３３までの距離は、レーザ照射径が所定の大きさになるように調整されているが、外乱等によって試料台１１と集光光学系３３の配置がずれる場合がある。試料台１１と集光光学系３３の配置のずれは、たとえそのずれが僅かであっても、レーザ照射径の大きさに影響を及ぼす。そこで、本実施形態では、照射径確認制御部６２の指示の下、試料上の所定の領域に対してレーザ光３１を照射させ、そのときの確認領域の光学顕微画像を表示部６４に表示させるようになっている。確認領域に表示される光学顕微画像が本発明の集光状態確認画像に相当する。

確認領域の光学顕微画像を表示部６４に表示させるにあたり、使用者は、スライドグラスの表面に一様に所定の色素が塗布された試料を用意し、これを試料台１１にセットする。続いて、イメージング質量分析装置の使用者により入力部６３から照射径確認動作の実行が指示されると、照射径確認制御部６２は、試料１００上に１又は複数の確認領域を指定する。照射径確認制御部６２には、指定された確認領域の数に応じて該確認領域のサイズ及び位置、並びに各確認領域にレーザ光を照射するときの集光光学系３３の位置が記憶されており、照射径確認制御部６２は、確認領域のサイズ及び位置に応じたステップ幅でレーザ光の照射位置が移動するように試料台駆動部１２を通して試料台１１を移動させる。また、集光光学系３３が、確認領域について設定された通りの位置となるように、集光光学系駆動部３４を通して集光光学系３３を移動させる。そして、照射制御部３７を介してレーザ照射部３０を駆動してレーザ光をパルス的に照射する。試料表面にレーザ光が照射されると、アブレーションによって色素が飛散してレーザ光が照射された痕（照射痕）ができる。

例えば、図２は、試料１００上に指定された複数の確認領域１１０を示している。図２では、試料１００上に１１個の矩形状の確認領域１１０が指定された例を示しているが、確認領域１１０の形状や数、サイズ等は図２に示す例に限られない。また、レーザ照射部３０は、各確認領域１１０に対して１回だけレーザ光を照射してもよく、各確認領域１１０内の異なる複数箇所にそれぞれ１回ずつレーザ光を照射してもよい（つまり、各確認領域内に複数回レーザ光が照射される）。

試料１００上の各確認領域１１０に対してレーザ光を照射する動作が終了すると、照射径確認制御部６２は、撮像部４０に確認領域１１０を含む試料１００表面の光学顕微画像を取得させる。撮像部４０によって取得された光学顕微画像はデータ処理部５０の画像データ処理部５１に送られ、そこで適宜のデータ処理が行われて光学顕微画像データが作成される。作成された光学顕微画像データは、その確認領域１１０に設定された集光光学系３３の位置情報が紐付けられて画像データ記憶部５１１に記憶される。

試料１００上の全ての確認領域１１０に対してレーザ光を照射する動作及び確認領域１１０を含む試料１００表面の光学顕微画像の取得動作が終了すると、照射径確認制御部６２は、画像データ記憶部５１１から各確認領域１１０の光学顕微画像データを読み出し、照射径確認画面を作成し、それを表示部６４に出力する。

図３は、表示部６４の表示画面６４１に表示された照射径確認画面６４２の一例を示している。この実施形態では、照射径確認画面６４２には１１個の確認領域を含む試料表面の光学顕微画像６４３が並べて表示されている。使用者はこれらの光学顕微画像６４３を見て、その中でレーザ光の照射痕が所望の状態である確認領域を決定確認領域として決定する。決定確認領域の決定は、例えば、マウスを使って表示画面６４１上のカーソルを所望の確認領域の近傍まで移動させてクリック操作することにより行うことができる。この例では、マウスが選択操作部となる。

決定確認領域が選択されると、照射径確認制御部６２はその決定確認領域にレーザ光３１が照射されたときの集光光学系３３の位置を画像データ記憶部５１１から読み出して位置設定部６２１に設定する。位置設定部６２１に設定された集光光学系３３は、次に行われる質量分析のときの集光光学系３３の位置とすることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、試料台を移動させることにより試料上におけるレーザ光の照射位置を移動させた（つまり、試料台駆動部１２を照射位置駆動部とした）が、レーザ照射部３０を移動させたりレーザ照射部３０の姿勢（向き）を変えたりすることで試料上におけるレーザ光の照射位置を移動させても良い（つまり、レーザ照射部３０の位置や姿勢を変化させるレーザ照射部駆動部を設けても良い）。また、照射位置駆動部は、試料台及びレーザ光の両方を移動させる構成でも良い。

また、上記実施形態では、複数の確認領域の中から所望の光学顕微画像が表示されている確認領域をユーザが選択すると、その確認領域（決定確認領域）に対応する集光光学系３３の位置を次の質量分析のときの位置に自動的に設定するように構成したが、確認領域に表示されている光学顕微画像６４３を見たユーザが集光光学系の位置を手動で設定するようにしてもよい。

また、画像データ処理部５１は、撮像部４０によって取得された光学顕微画像を例えば二値化処理して確認領域１１０におけるレーザ光の照射痕の輪郭を抽出し、該輪郭から照射痕の直径（照射径）を算出するようにしても良い。この場合、画像データ処理部５１によって算出された各確認領域１１０の照射径データは画像データ記憶部５１１に格納される。画像データ記憶部５１１に格納された照射径データは、各確認領域１１０の光学顕微画像データとともに読み出され、照射径確認画面に表示される。例えば、図３に示される照射径確認画面６４２に含まれる１１個の確認領域の光学顕微画像６４３のそれぞれの上下左右のいずれかに並べて、その確認領域における照射径の値を表示すると良い。この構成においては、画像データ処理部５１が照射径算出部に相当する。

また、上記実施形態では、複数の光学顕微画像をまとめて一つの表示画面に表示する構成としたが、複数の光学顕微画像を一つずつ順に表示画面に表示するようにしても良い。

［種々の態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

第１態様に係るイメージング質量分析装置は、
レーザ光を試料に照射することによりイオンを生成し、そのイオンを質量分析する装置であって、
前記試料に向けてレーザ光を射出するレーザ照射部と、
前記レーザ照射部と前記試料との間に配置された、前記レーザ照射部から発せられるレーザ光を集光する集光光学系と、
前記レーザ照射部が射出したレーザ光の前記試料上における集光状態を確認可能な光学顕微画像である集光状態確認画像を取得する撮像部と、
前記撮像部によって取得された集光状態確認画像を表示画面に表示する表示部とを備える。

第１態様のイメージング質量分析装置では、ユーザは、表示部の表示画面に表示された集光状態確認画像を見て、レーザ照射部が射出したレーザ光の前記試料上における集光状態を確認することができる。ここで、集光状態確認画像には、レーザ光の照射位置における照射径を確認可能な画像（例えばレーザ光の照射痕の輪郭が鮮明に表された画像）、レーザ光の照射位置におけるレーザ光の単位面積あたりの光強度を確認可能な画像（例えば、光強度が濃淡で表された画像）等が含まれる。

集光状態確認画像が照射径を確認可能な画像であるときは、表示部は、集光状態確認画像とともにスケールを表示画面に表示すると良い。

また、第２態様のイメージング質量分析装置は、第１態様のイメージング質量分析装置において、さらに、
前記撮像部によって取得された集光状態確認画像から前記レーザ光の前記試料上における照射痕の直径である照射径を算出する照射径算出部を備え、
前記表示部が、前記集光状態確認画像とともに前記照射径を前記表示画面に表示するようにしても良い。

第２態様のイメージング質量分析装置によれば、ユーザは、表示画面に表示された照射径を指標としてレーザ光の集光状態を確認することができる。また、レーザ光の照射径が設定された通りになっているかどうかを容易に確認することができる。

レーザ光の照射径を確認可能な画像を取得する際に使用される試料（照射径確認用試料）としては、例えばスライドグラスの表面に一様に色素が塗布されたものであって、レーザ光が照射されると、その領域にある色素がアブレーションによって飛散してレーザ光が照射された痕（照射痕）が付くような試料を用いることができる。また例えば、ＭＡＬＤＩ用試料の調製に使用されるマトリクスがスライドグラスの表面に塗布されたものを、照射径確認用試料とすることもできる。また例えば、ＭＡＬＤＩ用試料（すなわち生体組織から切り出された組織切片の上にマトリクスが塗布された試料）が照射径確認用試料を兼ねることも可能である。この場合は、ＭＡＬＤＩ用試料のうち分析対象領域から外れた領域が、照射径を確認可能な画像を取得するために使用される。

そこで、第３態様のイメージング質量分析装置は、第２態様のイメージング質量分析装置において、
前記集光状態確認画像が、所定の色素または所定のマトリクスが表面に塗布された試料のうち質量分析に供する領域から外れた領域である非分析対象領域にレーザ光が照射された後に前記撮像部によって取得された該非分析対象領域の画像である。

第４態様のイメージング質量分析装置は、第１～第３態様のいずれかのイメージング質量分析装置において、さらに、
前記レーザ光の前記試料上における集光状態が変化するように前記集光光学系を移動させる集光光学系駆動部と、
前記レーザ光の前記試料上における照射位置を移動させる照射位置移動部とを備え、
前記表示部が、前記試料上の複数の確認領域に対して、前記集光光学系の位置をそれぞれ異ならせてレーザ光が照射されたときの各確認領域の集光状態確認画像を前記表示画面に表示するものであっても良い。

第４態様のイメージング質量分析装置において、照射位置移動部は、レーザ光を移動させても良く、試料台を移動させても良い。レーザ光を移動させる方法としては、例えば射レーザ照射部を移動させたり、レーザ光の出射方向が変化するようにレーザ照射部の姿勢（向き）を異ならせたりすることが挙げられる。上記のイメージング質量分析装置によれば、ユーザは、表示画面に表示された複数の確認領域の集光状態確認画像を見て、レーザ光の集光状態が所望の状態にあるときの集光光学系の位置を確認することができる。たとえば、最高の解像度が必要とされる場合は、レーザ光の照射径が最小となっている確認領域に対応する集光光学系の位置を、試料や測定目的との関係で所定のレーザ照射径が求められている測定の場合は、そのレーザ照射径に最も近い状態の確認領域に対応する集光光学系の位置を、測定時の集光光学系の位置とすることができる。

第５態様のイメージング質量分析装置は、第４態様のイメージング質量分析装置において、
前記表示部が、前記複数の確認領域の集光状態確認画像を並べて前記表示画面に表示するものであっても良い。

第５態様のイメージング質量分析装置によれば、表示画面に表示された複数の確認領域のそれぞれに照射されたレーザ光の集光状態を比較し易くなる。

第６態様のイメージング質量分析装置は、第５態様のイメージング質量分析装置において、さらに、
前記表示画面に表示された複数の確認領域の中から任意の確認領域を使用者に選択させるための選択操作部と、
前記選択操作部によって選択された確認領域における前記集光光学系の位置を、次回の測定時の集光光学系の位置に設定する位置設定部とを備える。

第６態様のイメージング質量分析装置によれば、使用者が容易に集光光学系の位置を調整することができる。

１１…試料台
１００…試料
１１０…確認領域
１２…試料台駆動部
３０…レーザ照射部
３１…レーザ光
３３…集光光学系
３４…集光光学系駆動部
３７…照射制御部
４０…撮像部
５０…データ処理部
５１…画像データ処理部
５１１…画像データ記憶部
５１２…照射径確認画面作成部
６２…照射径確認制御部
６２…位置設定部
６３…入力部
６４…表示部
６４１…表示画面
６４２…照射径確認画面
６４３…光学顕微画像

Claims (3)

1. レーザ光を試料に照射することによりイオンを生成し、そのイオンを質量分析するイメージング質量分析装置であって、
   前記試料に向けてレーザ光を射出するレーザ照射部と、
   前記レーザ照射部と前記試料との間に配置された、前記レーザ照射部から発せられるレーザ光を集光する集光光学系と、
   前記レーザ照射部が射出したレーザ光の前記試料上における集光状態を確認可能な光学顕微画像である集光状態確認画像を取得する撮像部と、
   前記撮像部によって取得された集光状態確認画像を表示画面に表示する表示部と、
   前記撮像部によって取得された集光状態確認画像から前記レーザ光の前記試料上における照射痕の直径である照射径を算出する照射径算出部とを備え、
   前記表示部が、前記集光状態確認画像とともに前記照射径を前記表示画面に表示する、イメージング質量分析装置。
2. 請求項１に記載のイメージング質量分析装置において、
   前記集光状態確認画像が、所定の色素または所定のマトリクスが表面に塗布された試料のうち質量分析に供する領域から外れた領域である非分析対象領域にレーザ光が照射された後に前記撮像部によって取得された該非分析対象領域の画像である、イメージング質量分析装置。
3. レーザ光を試料に照射することによりイオンを生成し、そのイオンを質量分析するイメージング質量分析装置であって、
   前記試料に向けてレーザ光を射出するレーザ照射部と、
   前記レーザ照射部と前記試料との間に配置された、前記レーザ照射部から発せられるレーザ光を集光する集光光学系と、
   前記レーザ照射部が射出したレーザ光の前記試料上における集光状態を確認可能な光学顕微画像である集光状態確認画像を取得する撮像部と、
   前記レーザ光の前記試料上における集光状態が変化するように前記集光光学系を移動させる集光光学系移動部と、
   前記試料上における前記レーザ光の照射位置を移動させる照射位置駆動部と、
   前記撮像部によって取得された集光状態確認画像を表示画面に表示する表示部であって、前記試料上の複数の確認領域に対して、前記集光光学系の位置をそれぞれ異ならせてレーザ光が照射されたときの、該複数の確認領域の集光状態確認画像を並べて前記表示画面に表示する表示部と、
   前記表示画面に表示された複数の確認領域の中から任意の確認領域を使用者に選択させるための選択操作部と、
   前記選択操作部によって選択された確認領域における前記集光光学系の位置を、次回の測定時の集光光学系の位置に設定する位置設定部とを備える、イメージング質量分析装置。

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