JP2017033659A - Ionization device, mass spectrometer with the same and image creation system - Google Patents
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Abstract
【課題】 プローブを有するイオン化装置において、プローブを取り外すことなく、プローブの振動部分の固有振動数を簡便に変更することができるイオン化装置を提供する。【解決手段】 試料を保持する保持台と、保持台に保持されている前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、プローブの一端を自由端とし、且つ、プローブをイオン化装置に固定する固定部と、試料のイオン化したイオンを引き出す引出電極と、前記試料の一部領域に液体を供給する液供給手段と、プローブと引出電極との間に電圧を印加する手段と、プローブを振動させるための振動手段と、を有し、振動手段は、プローブの固有振動数で振動する第一のプローブ振動、および固有振動数のn次(nは2以上の整数)の高調波の振動数で振動する第二のプローブ振動、の少なくとも2つの振動を生ぜしめる手段である。【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionizing device having a probe, which can easily change the natural frequency of a vibrating portion of the probe without removing the probe. SOLUTION: A holding table for holding a sample, a probe for determining an ionizing portion of the sample held on the holding table, and a fixing having one end of the probe as a free end and fixing the probe to an ionizing device. To vibrate the probe, the extraction electrode that draws out the ionized ions of the sample, the liquid supply means that supplies the liquid to a part of the sample region, the means that applies a voltage between the probe and the extraction electrode, and the probe. The vibrating means has the vibration means of the first probe that vibrates at the natural frequency of the probe, and the vibration means of the nth order (n is an integer of 2 or more) of the natural frequency. It is a means to generate at least two vibrations of the second probe vibration. [Selection diagram] Fig. 2
Description
本発明は、物質をイオン化するイオン化装置、およびこれを有する質量分析装置、画像生成システム、画像表示システム、イオン化方法等に関する。 The present invention relates to an ionizer that ionizes a substance, a mass spectrometer having the ionizer, an image generation system, an image display system, an ionization method, and the like.
近年、試料の表面に存在する物質や成分の分布を可視化するための分析技術として、質量分析技術を応用したイメージング質量分析が開発されている。 In recent years, imaging mass spectrometry applying mass spectrometry has been developed as an analysis technique for visualizing the distribution of substances and components existing on the surface of a sample.
イメージング質量分析では、試料の表面上の任意の測定点(微小領域)において試料をイオン化する。続いて、発生したイオンを質量分析して質量スペクトルを取得する。これを複数の測定点で行い、得られた質量スペクトルと測定点の位置情報とを対応づけることにより、質量スペクトル画像を形成する。 In imaging mass spectrometry, a sample is ionized at an arbitrary measurement point (micro area) on the surface of the sample. Subsequently, mass analysis is performed on the generated ions to obtain a mass spectrum. This is performed at a plurality of measurement points, and a mass spectrum image is formed by associating the obtained mass spectrum with the position information of the measurement points.
この場合、質量スペクトル画像の空間分解能は試料をイオン化する際の測定点のサイズによって決まる。そのため、質量スペクトル画像の空間分解能を向上させるために、微小領域に存在する試料を選択的にイオン化する技術が求められている。 In this case, the spatial resolution of the mass spectrum image is determined by the size of the measurement point when ionizing the sample. Therefore, in order to improve the spatial resolution of the mass spectrum image, a technique for selectively ionizing a sample existing in a minute region is required.
このような技術として、これまでに、試料表面に存在する物質を振動するプローブを用いて選択的にイオン化する方法が提案されている(特許文献1、特許文献2)。
As such a technique, a method of selectively ionizing using a probe that vibrates a substance existing on a sample surface has been proposed (
特許文献1に記載の技術では、プローブの一端をカンチレバーに固定し、カンチレバーを振動させることでプローブの先端が試料と質量分析装置のイオン取込部の前との間を往復するように運動させる。プローブの先端が試料に接触することで、試料表面の微小領域に存在していた物質がプローブに付着する。続いて該物質が付着したプローブの先端部分がイオン引出電極の前に移動し、プローブの先端部分に電圧やレーザー光を照射する。これにより、プローブの先端に付着した物質のみを選択的にイオン化することができる。
In the technique described in
特許文献2に記載の技術では、振動するキャピラリ型のプローブを用いる。特許文献2では、キャピラリを通じて試料表面の一部領域に液体を供給することで、プローブの先端と試料表面との間に液架橋を形成する。この液架橋によって、試料表面に存在する物質のうち、液架橋が接触した部分に存在する物質のみが液体中に溶解される。その後、プローブが振動することで、液架橋を形成していた液体がプローブの先端に保持されたまま、プローブの先端がイオン引出電極に接近する。すると、プローブとイオン引出電極との間に印加される強電界によって液体のエレクトロスプレーが生じ、該液体中に溶解していた物質がイオン化される。
The technique described in
特許文献2に記載の技術は特許文献1に記載の技術とは異なり、物質のイオン化の際に該物質に対してレーザーを照射する必要が無く、よりソフトなイオン化を行うことができる。
The technique described in
また非特許文献1には、特許文献1に記載の装置と同様の構成の装置を用い、先端に物質の付着したプローブをイオン取込部の付近で停止させてイオン化を続けることで、発生するイオン種が経時的に変化することが記載されている。
非特許文献1に記載されているように、エレクトロスプレーを発生させる時間を変化させることによって、発生するイオン種を変えることができる。特許文献1や特許文献2においてプローブの振動の振動数を変化させることで、プローブの先端がイオン引出電極に接近している時間を変化させることができる。これにより、発生するイオン種を変化させることができることが示唆される。
As described in Non-Patent
特許文献2に記載の技術では、プローブの振幅を大きくするためにプローブを固有振動数で振動させている。そのため、特許文献2においてプローブの振動数を変更するためには、プローブの固有振動数を変更する必要がある。
In the technique described in
しかし、特許文献2においてプローブの固有振動数を変更するには、プローブそのものを交換する必要があった。プローブを交換すると、プローブの先端が接触または接近する試料表面上の位置がプローブの交換前後で変化してしまう。そのため、プローブを交換すると、交換を行うこと自体の手間がかかる上に、プローブの交換後にプローブの先端の位置を手動で調節する手間がかかるという課題があった。
However, in
そこで本発明は、プローブの振動部分の固有振動数を変更するためにプローブを交換すること無く、プローブ振動の十分な大きさの振幅を確保しつつ、プローブ振動の振動数を簡便に変更することができる、イオン化装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can easily change the vibration frequency of the probe vibration while ensuring a sufficiently large amplitude of the probe vibration without changing the probe to change the natural frequency of the vibration portion of the probe. An object of the present invention is to provide an ionization apparatus that can perform the above.
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、本発明のイオン化装置は、
試料を保持する保持台と、
前記保持台に保持されている前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、
前記プローブの一端を自由端とし、且つ前記プローブを前記イオン化装置に固定する固定部と、
前記試料のイオン化したイオンを引き出す引出電極と、
前記試料の一部領域に液体を供給する液供給手段と、
前記プローブと前記引出電極との間に電圧を印加する手段と、
前記プローブを振動させるための振動手段と、を有し、
前記振動手段は、前記プローブの固有振動数で振動する第一のプローブ振動、および固有振動数のn次(nは2以上の整数)の高調波の振動数で振動する第二のプローブ振動、の少なくとも2つの振動を生ぜしめる手段である
ことを特徴とするイオン化装置である。
The present invention has been made to solve the above problems, and the ionization apparatus of the present invention provides:
A holding table for holding the sample;
A probe for determining an ionized portion of the sample held on the holding table;
One end of the probe as a free end, and a fixing part for fixing the probe to the ionization device;
An extraction electrode for extracting ionized ions of the sample;
Liquid supply means for supplying a liquid to a partial region of the sample;
Means for applying a voltage between the probe and the extraction electrode;
Vibration means for vibrating the probe,
The vibration means includes a first probe vibration that vibrates at a natural frequency of the probe, and a second probe vibration that vibrates at a harmonic frequency of an nth order (n is an integer of 2 or more) of the natural frequency. The ionization apparatus is characterized in that it is a means for generating at least two vibrations.
本発明により、プローブの固有振動に加え、高調波振動を利用することで、複数の振動数でのイオン化を簡便な構成で実現できる。 According to the present invention, ionization at a plurality of frequencies can be realized with a simple configuration by utilizing harmonic vibration in addition to the natural vibration of the probe.
以下に、本発明を実施の形態を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using embodiments.
図1は本発明の実施形態に係るイオン化装置100、及びイオン化装置100を有する画像形成システムを示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an
本実施形態に係る装置100は、プローブ1と、振動手段2と、試料ステージ8と、液体供給手段9と、液体供給手段9から供給された液体をプローブ1へ導く導電性の配管11を有する。プローブ1の一端は自由端となっており、他端が固定部16によって、イオン化装置100本体に固定されている。また、プローブ1に振動を与えるための振動手段2がプローブ近傍に配置される。
The
イオン化装置100はさらに、プローブ1或いは配管11に接続された第一の電圧印加手段10と、イオン取込部7を有する。イオン取込部7は、第二の電圧印加手段14と接続したイオン引出電極17を有する。第一の電圧印加手段10によって第一の電圧を印加するか、第二の電圧印加手段14によって第二の電圧を印加すると、プローブ1と引出電極17との間には電界が発生する。
The
引出電極17は導電部材で形成された、開口を有する平板状、あるいは筒状の構造体であり、開口を通ってイオンがイオン取込部7へ通過できる構造になっている。イオン取込部7には不図示のポンプが接続されており、外部環境に対して陰圧になっている。そのため、イオンは電界に沿って移動すると共に、イオンを取り巻く雰囲気の気流に乗って引出電極17に引き寄せられ、引出電極17の開口を通過する。
The
試料18は、基板3に載置されて保持される。更に、基板3は試料ステージ8上に載置される。基板は、試料の導電性に応じて、適宜、導電性或いは絶縁性の材質から選ばれる。試料が導電性である場合には絶縁性の基板を選択することが好ましいが、必ずしも絶縁性で無くても良い。
The
プローブ1は梁状でその端部が試料18に接触するか、あるいは極めて近い位置に配置されている。プローブ1は、長手方向に伸長する梁状の弾性体であり、長手方向に対して1以上の節および腹を形成して高調波の共振動状態を得るものであると良い。プローブ1は例えばキャピラリーの如くその内側に流路を有する細い筒状であると好ましい。溶媒は液供給手段9から配管11を介してプローブへ連続して供給される。プローブ1の端部には開口があり、開口から溶媒が連続的に流れ出すことにより、試料18の表面上に溶媒を供給される。
The
溶媒は試料に含まれる物質を溶質として溶解できる液体であり、溶質が溶解した溶媒を以下「溶液」と呼ぶ。溶媒は、水と有機溶媒の混合物であるとよく、酸および塩基の少なくともいずれかが更に混合されているとよいが、水あるいは有機溶媒のみでも良い。溶媒であるこの混合物が試料に触れることで、試料に含まれる溶媒に溶解しやすい物質が容易に溶解し、溶媒である液体が溶液へ変化する。 The solvent is a liquid that can dissolve the substance contained in the sample as a solute, and the solvent in which the solute is dissolved is hereinafter referred to as a “solution”. The solvent may be a mixture of water and an organic solvent, and may be further mixed with at least one of an acid and a base, but may be water or an organic solvent alone. When the mixture that is a solvent touches the sample, a substance that is easily dissolved in the solvent contained in the sample is easily dissolved, and the liquid that is the solvent changes into a solution.
プローブ1から供給される溶媒は、プローブ1の端部と試料との間で液架橋4を形成する。液架橋4とは、大気圧環境下で、表面張力等によってプローブ1と試料18とを架橋する状態の液体のことである。液架橋4が形成されると、液体内に試料の表面の物質が溶解される。液架橋4の、試料18への接触面積はおよそ1×10−8m2程度であって、液架橋4は試料18の面内の極めて狭い一部領域と接する。液架橋4を介してプローブ1が接触する位置が試料18のイオン化する位置となる。
The solvent supplied from the
プローブ1は導体、或いは絶縁性の材質で形成される。溶媒に導電性があれば、絶縁性のプローブを用いてもよいが、プローブ1が導体の場合、第一の電圧印加手段はプローブに直接接続することができる。第一の電圧印加手段10によって配管11に印加された第一の電圧は、導電性の溶媒を通して、プローブ1、及びプローブ先端から流れ出す溶媒にも印加される。
The
振動手段2によってプローブ1を振動させると、プローブ1の端部と試料18との間の距離は周期的に変化する。振動手段2は、一定の振幅で振動するものであれば、特に限定はされない。例えば振動手段2として、任意の振動数の振動の提供が可能な圧電素子や振動モーターなどを用いることができる。
When the
振動手段2を配置する位置は、プローブ1に振動を伝達できる位置である限り、特に限定はされない。また、振動手段2は振動するときに間欠的にプローブに接触しても良く、プローブが静止している状態で、必ずしもプローブ1に接触している必要はない。
The position where the vibration means 2 is disposed is not particularly limited as long as it is a position where vibration can be transmitted to the
振動手段2をプローブ1に装着する構成を採用すれば、プローブ1の形状を自由に選択でき、プローブ1へ効率良く振動を伝達し、安定してプローブ1を振動させることができる。振動手段2は、プローブ1の外部に設置しても良いし、プローブ1に内蔵しても良い。なお、振動手段2は装置のプローブ1以外の部分に固定されていても良い。
If the configuration in which the vibration means 2 is attached to the
また、例えばプローブ1の材質を圧電素子等で構成し、プローブ1自体が振動手段2を兼ねる構成でも良い。あるいは、プローブ1の少なくとも一部を磁性体で形成し、振動手段2を電磁石で構成し、プローブ1に交流磁場を印加することによってプローブ1を振動させる形態としても良い。
Further, for example, the
試料18との間に液架橋4が形成されたプローブ1に振動手段2によって振動を伝達すると、液架橋4を形成していた液体がプローブ1の先端に付着したまま、プローブ1が振動する。すなわち、プローブ1が振動することにより、プローブ1と試料18とが液架橋4を介してつながった状態と、プローブ1と試料とが離れた状態と、を交互に発生させることができる。プローブ1の振動によりプローブ1が試料18から離れると、液架橋4を形成していた液体の一部がプローブ1の先端に残留する。
When vibration is transmitted to the
プローブ1の先端が引出電極17に更に接近すると、プローブ1の先端部では、高いアスペクト比を持つ形状のため、電界集中により電界強度が増大する。この電界により、液体はプローブ1のイオン取込部17側の側面に移動し、テイラーコーン5を形成する。即ち、テイラーコーン5を形成する液体は、試料に含まれる物質が溶解した溶液を含む。
When the tip of the
プローブ1の端部に付着した液体がイオン引出電極17に十分に接近すると、テイラーコーン5の先端部分では電界が大きくなる。これにより液体からエレクトロスプレーが発生し、微小な帯電液滴6が発生する。帯電液滴6はイオン引出電極17と液体との間に生じた電界により、イオン引出電極17へ向かって飛翔する。このとき、帯電液滴6がレイリー分裂を生じ、試料中の特定の物質のイオンを発生させることができる。なお、テイラーコーン5が形成されること、帯電液滴6がスプレーされること、イオン化することの一連を総称して以降ではエレクトロスプレーイオン化と呼ぶ。
When the liquid adhering to the end of the
第一の電圧は、プローブの先端部で液体がエレクトロスプレーを生じるのに十分な高電界を発生させることのできる電圧に設定される。第一の電圧は、通常1kV以上10kV以下、より好ましくは3kV以上5kV以下の高電圧である。ただし、プローブと引出電極の間の距離が小さいほど、エレクトロスプレーを発生させる電界強度を得るために必要な電圧は低下する。この場合、第一の電圧として、1kV未満の電圧でも良い。 The first voltage is set to a voltage that can generate a high electric field sufficient for the liquid to electrospray at the tip of the probe. The first voltage is usually a high voltage of 1 kV to 10 kV, more preferably 3 kV to 5 kV. However, the smaller the distance between the probe and the extraction electrode, the lower the voltage required to obtain the electric field strength for generating electrospray. In this case, the first voltage may be a voltage lower than 1 kV.
第二の電圧は、プローブ1と引出電極17との間に電界を生じさせるため、通常、100V以下、或いはイオン化装置のグランド電位に近い低い電圧に設定される。
In order to generate an electric field between the
(質量分析装置)
上述のイオン化装置100によって、イオン化された物質を質量分析する場合においては、イオン化装置100に質量分析部15が接続されて、質量分析装置を構成する。イオン取込部7は質量分析部15に接続され、イオン取込部7から取り込んだイオンを質量分析部15へと移送可能に構成されている。液滴に含まれる物質は質量分析部15においてイオン化した状態で導入される。質量分析部15はイオンの質量電荷比を計測する。なお、引出電極17は、イオン取り込み部7、或いは質量分析部15を真空保持する筐体と一体の構成であってもよい。
(Mass spectrometer)
When mass analyzing an ionized substance by the
(画像作成システム)
本発明の実施形態に係る画像作成システムは、上述の質量分析装置と、画像形成装置とで構成される。画像形成装置は、試料ステージ制御部13、入力手段21、コンピュータ22、及び、画像表示部23を有する。画像表示部23は例えばディスプレイ等のモニターである。コンピュータ22は画像形成システムの動作を統合して制御する。入力手段21は、システムをコントロールするための情報を入力するためのユーザーインターフェースである。コンピュータは、質量分析データに基づいて画像情報を形成する画像形成部でもある。
(Image creation system)
An image creation system according to an embodiment of the present invention includes the above-described mass spectrometer and an image forming apparatus. The image forming apparatus includes a sample
ステージ制御手段13は、試料ステージ8を駆動制御し、試料18をプローブ1に対して、試料ステージ8の上面に水平な方向(XY方向)および試料ステージ8の上面に垂直な方向(Z方向)に、相対的に移動させることができる。コンピュータ22は、分析位置情報をステージ制御手段13に出力することで、試料ステージをコントロールする。プローブ1を試料18の表面を走査させることで、試料表面を平面的に広く質量分析することができる。
The stage control means 13 drives and controls the
質量分析結果は、質量分析部15によって質量スペクトルデータなどの質量情報として得られる。コンピュータ22は、質量スペクトルデータと位置情報を統合して画像情報を形成する。コンピュータ22から出力された画像情報は画像表示部23に送られ、画像表示される。
The mass analysis result is obtained as mass information such as mass spectrum data by the
質量分析結果からは、液架橋に溶解した溶質の成分を知ることができるので、画像は成分分布画像、或いは質量分布画像を構成する。画像上には、例えば、成分の種類とその量が表示される。種類と量は、例えば色、あるいは明るさ等でその違いが表示される。また、予め取得した試料の光学顕微鏡画像と、質量分布画像とを重ね合わせて表示することもできる。 From the mass analysis result, the components of the solute dissolved in the liquid bridge can be known, so that the image constitutes a component distribution image or a mass distribution image. On the image, for example, the type of component and its amount are displayed. The difference between the type and amount is displayed, for example, by color or brightness. It is also possible to superimpose and display an optical microscope image of a sample acquired in advance and a mass distribution image.
(プローブの振動)
次に、プローブの振動について説明する。図2はプローブ1の振動の様子を示す模式図であり、図2(a)はプローブの固有振動を例に、プローブの振動示す模式図である。振動手段2は、プローブ1の固定端の近傍に設置されている。振動手段2が作動すると、プローブ振動部分19が振動する。本明細書においてプローブ振動部分19(以下、「振動部分」と称する)とは、プローブのうち実質的に振動する部分、即ち、プローブの固定端から自由端までの部分を指す。なお、振動手段2は振動部分19には含まれない。振動手段2が常にプローブ1と接触する構成では、振動手段2が接触している位置がプローブ1の固定端となる。一方、振動手段2が振動している間に間欠的に振動手段2とプローブ1が接触する構成では、プローブがプローブ固定部16と接するところが固定端となる。なお、プローブ固定部16は、プローブの少なくとも一部分をイオン化装置の筐体に固定する部位である。
(Probe vibration)
Next, the vibration of the probe will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing how the
振動手段2はプローブ1の自由端が、試料或いは引出電極17に対して、接近と離反を繰り返す方向に振動を与える。プローブ1の振動は、振動数が例えば10Hzから1MHz程度であり、自由端の振幅が例えば数十μmから数mm程度、プローブ1の振幅の大きさは、液架橋の形成とエレクトロスプレーの発生が交互に発生するように設定する。なお、プローブ1の種類や、振動部分19の振動数、プローブ1と引出電極17との間に発生させる電界の強度を変更した場合には、プローブ1の振幅の大きさも適宜変更することが望ましい。
The vibration means 2 vibrates the
(振動部分の固有振動数)
次に、本実施形態に係るプローブ1の振動部分19の固有振動数について説明する。梁状のプローブの質量m’を考慮した固有振動数は、等価質量mを持つ重りを先端に付加した梁状のプローブの固有振動数を表わす式で計算される。一般に、プローブ自身の質量を無視し、先端に質量mのおもりを付加した、長さLの梁状のプローブ1の固有振動数は、以下の式(1)で近似できる。
(Natural frequency of vibration part)
Next, the natural frequency of the vibrating
ここで、Iはプローブの断面二次モーメント、Eはプローブのヤング率である。また、プローブの長さLはプローブ全体の重心からプローブの固定端までの長さである。この場合長さLは、質量mのおもりが付加した位置からプローブの固定端までの長さである。また、断面二次モーメントはプローブの形状で決まる物体の変形のし難さを表わす量である。 Here, I is the cross-sectional second moment of the probe, and E is the Young's modulus of the probe. The probe length L is the length from the center of gravity of the entire probe to the fixed end of the probe. In this case, the length L is the length from the position where the weight of mass m is added to the fixed end of the probe. The cross-sectional second moment is a quantity representing the difficulty of deformation of the object determined by the shape of the probe.
(高調波発生により、振動周波数を変化させる動作)
図2(b)プローブの高調波振動を示す模式図である。Nは高調波の次数である。プローブは長手方向に垂直な面内に曲げたわみ振動を生じる。本発明のイオン化装置は、プローブ1を固有振動数で振動する第一のプローブ振動だけではなく、固有振動のn次(nは2以上の整数を示す)高調波での第二のプローブ振動を生じさせることを特徴とする。
(Operation to change vibration frequency by harmonic generation)
FIG. 2B is a schematic diagram showing harmonic vibration of the probe. N is the harmonic order. The probe generates bending vibration in a plane perpendicular to the longitudinal direction. The ionization apparatus of the present invention is not limited to the first probe vibration that vibrates the
プローブが、長手方向に垂直な方向にたわむ梁状の弾性体であると、図2(b)に示すように長手方向に対して1以上の節および腹を形成して高調波の共振動状態を容易に得ることができる。 If the probe is a beam-like elastic body that bends in a direction perpendicular to the longitudinal direction, one or more nodes and antinodes are formed in the longitudinal direction as shown in FIG. Can be easily obtained.
固有振動のn次の高調波の次数は特に制限されるものではないが、nが2〜5の次数のいずれか、特に2次または3次であると好ましい。 The order of the n-th harmonic of the natural vibration is not particularly limited, but it is preferable that n is any order of 2 to 5, particularly the second order or the third order.
また、さらに固有振動数のm次(mは2以上の整数であり、n≠mである)の高調波の振動数で振動する第三のプローブ振動を生じさせるように構成すると良い。 Further, a third probe vibration that oscillates at a harmonic frequency of the mth order (m is an integer of 2 or more and n ≠ m) of the natural frequency may be generated.
さらに次数の異なる第四、第五、・・・、のプローブ振動を生ぜしめる構成であっても良い。 Furthermore, a configuration in which fourth, fifth,..., Probe vibrations having different orders may be generated.
プローブの長尺方向の長さを長くすれば高次の高調波の振動が発生しやすくなるが、プローブとしての扱いは難しくなる。また、互いに直交する二つの成分の振動が発生し易くなり、プローブの試料への接触点が目標の点からずれ易くなる。 Increasing the length of the probe in the longitudinal direction tends to generate higher-order harmonic vibrations, but makes it difficult to handle as a probe. Also, vibrations of two components orthogonal to each other are likely to occur, and the contact point of the probe with the sample is likely to deviate from the target point.
必要な高調波の次数等に応じてプローブの形状は適宜設定すれば良いが、例えば長さが10mm以上200mm以下で断面径が0.1mm以上2mm以下であると良い。特に、20mm以上100mm以下で断面径が0.2mm以上1mm以下の形状であるガラス製のキャピラリが挙げられる。 The shape of the probe may be set as appropriate according to the required harmonic order and the like. For example, the length may be 10 mm or more and 200 mm or less, and the cross-sectional diameter may be 0.1 mm or more and 2 mm or less. In particular, a glass capillary having a shape of 20 mm to 100 mm and a cross-sectional diameter of 0.2 mm to 1 mm can be given.
振動制御手段12は、振動手段2の振動周波数を変えて駆動する。振動周波数が、プローブ1の固有振動数の整数倍である高調波の振動数に一致すると、プローブは共鳴的に振動し、プローブの先端の振幅が大きくなるプローブ振動が生じる。この状態を維持すると、プローブ1は、開放端で試料に接触、及び、エレクトロスプレーイオン化を生じさせることができる。プローブ1を、次数nを変えて高調波振動を生じさせることで、プローブを交換すること無く複数の振動数で使用できる。異なった振動数でプローブを駆動して、試料表面の物質のイオン化を行い、振動数を変えることによって、効率的に検出される分子種を変えることができるようになる。
The vibration control means 12 is driven by changing the vibration frequency of the vibration means 2. When the vibration frequency coincides with a harmonic frequency that is an integral multiple of the natural frequency of the
プローブ振動の振動数の変更は、自由に行うことができるが、上述したような成分分布画像、または質量分布画像を形成する場合は、ステージ制御手段13によるプローブの走査に追随してプローブ振動を変更することが好ましい。 The frequency of the probe vibration can be changed freely. However, when forming the component distribution image or the mass distribution image as described above, the probe vibration is performed following the scanning of the probe by the stage control means 13. It is preferable to change.
具体的には、以下のような形態が挙げられる。
(1)ある位置において第一のプローブ振動によるイオン化と質量分析を行い、そのままその位置において第二のプローブ振動に変えてイオン化と質量分析を行う。その後、試料ステージ8を移動させて試料上のプローブの位置を変更し、移動後の位置において同様に第一のプローブ振動によるイオン化と質量分析を行なった後、第二のプローブ振動によるイオン化と質量分析を順次的に行う。これを繰り返すことで走査画像を取得する。
(2)第一のプローブ振動によるイオン化と質量分析とを、プローブを走査しながら変更せずに継続して行う。これにより第一のプローブ振動による走査画像をまず取得し、続けて同様に第二のプローブ振動によるイオン化と質量分析とをプローブを走査しながら継続して行い、走査画像を取得する。
Specifically, the following forms are mentioned.
(1) Ionization and mass analysis by the first probe vibration are performed at a certain position, and the ionization and mass analysis are performed at that position by changing to the second probe vibration. Thereafter, the
(2) Ionization and mass spectrometry by the first probe vibration are continuously performed without changing while scanning the probe. Thereby, a scanning image by the first probe vibration is first acquired, and similarly, ionization and mass spectrometry by the second probe vibration are continuously performed while scanning the probe to acquire a scanning image.
第三、第四のプローブ振動での走査画像を取得する場合も同様に、順次に変更して実施すればよい。 Similarly, when scanning images with the third and fourth probe vibrations are acquired, the scanning images may be sequentially changed.
これらの場合、いずれも同じ位置において各振動数でのイオン化と質量分析を実施しても良く、オフセットを持たせて互いに隣接した位置でそれぞれイオン化が実施されるようにしても良い。 In these cases, ionization and mass spectrometry at each frequency may be performed at the same position, or ionization may be performed at positions adjacent to each other with an offset.
(プローブの振動のモニター)
次に、プローブ1の変位を測定する変位計測手段200について説明する。変位計測手段200には、様々な方式を用いた構成を採用することができるが、以下に示した方式に限定されるものではない。図4に、変位計測手段200を備えた画像形成システムを示す。
(Probe vibration monitor)
Next, the displacement measuring means 200 for measuring the displacement of the
プローブ1の先端が試料の表面に近接し、接触した場合、斥力、及び、液架橋による凝着力が発生するため振動に制限を受け、振幅および振動数がわずかにシフトする。更に、試料18の表面とプローブ1の先端との距離に応じて液架橋による凝着力及び斥力が変化するので、それに応じて振幅及びプローブ1の振動数のシフト量が変化する。
When the tip of the
プローブ1のたわみを検出する方式として、光てこ方式や光干渉方式等を応用することができる。プローブ1を圧電材料で形成し、プローブ1の変位に応じて発生する電圧を検出しても良い。
As a method for detecting the deflection of the
光てこ方式を応用した変位計測手段200を説明する。光照射器201から射出されたレーザー光をプローブ1の背面に照射して、反射してきた光を光検出器202で検出し、光検出器202における光の検出位置の変位からプローブ1の変位量を検出することができる。なお、光路調整を容易にするために光路上に反射鏡を設置しても良い。
The displacement measuring means 200 applying the optical lever method will be described. The laser beam emitted from the
プローブ1の変位量の時間変化からプローブ1の振動状態を知ることができる。光検出器からの変位信号も同様に振動する交流信号である。振動の周波数は、光検出器からの変位信号を周波数カウンタや、ヘテロダイン検出等の手段を用いることによって検出することができる。また、振動の振幅は、光検出器からの変位信号を、整流器を通すか、或いは、ロックイン検出等の手段によってDC成分に変換して検出することができる。
The vibration state of the
プローブの固有振動数は以下のように知ることができる。即ち、振動子の振動数を振って、プローブ先端部の変位を計測し、振幅が極大になったところを共振点とする。ここで、プローブの振動数は、上述のプローブ先端にレーザー光を照射する光学的手法で測定することができる。 The natural frequency of the probe can be found as follows. That is, the vibration frequency of the vibrator is changed to measure the displacement of the probe tip, and the point where the amplitude becomes maximum is taken as the resonance point. Here, the frequency of the probe can be measured by an optical method of irradiating the probe tip with laser light.
また、振動状態をカメラで撮像すれば、高調波による振動の次数を知ることができる。振動するプローブをカメラで撮影し、画像解析によって高調波の振動の節点の数と振幅を得ることができる。節点の数から高調波の次数が得られる。また、高速度カメラを用いればプローブ振動の振動数を知ることも可能である。 Moreover, if the vibration state is imaged with a camera, the order of vibration due to harmonics can be known. A vibrating probe is photographed with a camera, and the number and amplitude of harmonic vibration nodes can be obtained by image analysis. The harmonic order is obtained from the number of nodes. It is also possible to know the frequency of probe vibration by using a high-speed camera.
或いは、プローブの固有振動数は、プローブのインパルス応答によって測定することもできる。そのために、振動子にインパルス信号を与えてプローブを振動させ、上記のレーザー光を用いた手法によりプローブ変位の時間変化測定する。プローブ変位の時間変化データに対して、FFT(高速フーリエ変換解析)によって解析すれば、固有振動数、及び、高調波の振動数を導出することができる。 Alternatively, the natural frequency of the probe can be measured by the impulse response of the probe. For this purpose, an impulse signal is applied to the vibrator to vibrate the probe, and the time change of the probe displacement is measured by the method using the laser beam described above. If the time change data of the probe displacement is analyzed by FFT (Fast Fourier Transform Analysis), the natural frequency and the harmonic frequency can be derived.
予め得た高調波の振動数の計測結果を元に、振動数テーブル等を用意しても良い。振動数テーブルを参照して、プローブを振動させる振動数を指定する。或いは、テーブルを用いる代わりに、基本となる一次の固有振動数を計測し、それを基に、n次の高調波の振動数を計算によって求めても良い。 A frequency table or the like may be prepared based on the measurement result of the harmonic frequency obtained in advance. With reference to the frequency table, the frequency for vibrating the probe is designated. Alternatively, instead of using a table, a basic primary natural frequency may be measured, and based on this, the frequency of the nth harmonic may be obtained by calculation.
また、上述したように、分子種によって効率的にイオン化できる振動数が異なることがある。そこで、順次、高調波の次数を切替えてプローブを振動させて、イオン化を行うと良い。発生したイオンは、後述するように質量分析器で検出する。予め、代表的な分子種を含む試料を用意して、高調波の次数を変えてイオンを発生及び検出し、最も効率的にイオン化できる振動数を調べ、テーブルを作成しておいても良い。検出対象の分子種に応じて、プローブの固有振動数、或いは、高調波の振動数から、適宜、最適な振動数に最も近い駆動振動数を選択してプローブを振動させるようにしてもよい。 Further, as described above, the frequency at which ionization can be efficiently performed may vary depending on the molecular species. Therefore, it is preferable to sequentially perform ionization by switching the harmonic order and vibrating the probe. The generated ions are detected by a mass analyzer as will be described later. A table may be prepared in advance by preparing a sample containing a representative molecular species, generating and detecting ions by changing the order of harmonics, examining the frequency at which ionization can be performed most efficiently. Depending on the molecular species to be detected, the probe may be vibrated by appropriately selecting the drive frequency closest to the optimum frequency from the natural frequency of the probe or the harmonic frequency.
(イオン化装置の変形例)
本実施形態に係るイオン化装置は、プローブが内部に流路を有し、流路に溶媒が流れる構成であるが、液供給手段から溶媒がプローブに供給され、その溶媒がプローブの表面を伝って移動し、プローブ先端で液架橋7を形成する構成でもよい。
(Modification of ionizer)
The ionization apparatus according to the present embodiment has a configuration in which the probe has a flow path inside, and the solvent flows in the flow path. The solvent is supplied from the liquid supply means to the probe, and the solvent travels along the surface of the probe. It may be configured to move and form the
本実施形態に係るイオン化装置は、飛行時間型質量分析装置、四重極型質量分析計や磁場偏向型質量分析計、イオントラップ型質量分析計、イオンサイクロトロン型質量分析計などの質量分析装置のイオン発生部として用いてもよい。 The ionization apparatus according to the present embodiment is a mass spectrometer such as a time-of-flight mass spectrometer, a quadrupole mass spectrometer, a magnetic field deflection mass spectrometer, an ion trap mass spectrometer, or an ion cyclotron mass spectrometer. You may use as an ion generating part.
本実施形態に係るイオン化装置は、大気圧環境下で液架橋を形成し、物質をイオン化させているが、大気圧とは標準大気圧の101325Paの0.1倍から10倍の範囲である。また環境は通常の室内と同じ雰囲気下でもよく、あるいは窒素雰囲気下、あるいはアルゴン雰囲気下のような不活性ガス雰囲気下でもよい。 The ionization apparatus according to the present embodiment forms a liquid bridge under an atmospheric pressure environment to ionize the substance, and the atmospheric pressure is in the range of 0.1 to 10 times the standard atmospheric pressure of 101325 Pa. The environment may be the same atmosphere as a normal room, or an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere.
(フィードバック制御)
精密にプローブと試料の表面との平均距離を一定に保ち、安定した走査を行うために、プローブの試料表面に対する位置に関してフィードバック制御を行う場合について説明する。プローブの先端と試料の表面との平均距離が変化すると、プローブ先端の可動範囲が変化することや、液架橋による凝着力が変化するため、プローブの振動数或いは振幅が変化する。プローブの振動数或いは振幅を一定に保つように、次のように試料面の位置をフィードバック制御する。
(Feedback control)
A case will be described in which feedback control is performed with respect to the position of the probe with respect to the sample surface in order to precisely maintain the average distance between the probe and the sample surface and perform stable scanning. When the average distance between the tip of the probe and the surface of the sample changes, the movable range of the probe tip changes and the adhesion force due to liquid bridge changes, so the frequency or amplitude of the probe changes. The position of the sample surface is feedback controlled as follows so as to keep the frequency or amplitude of the probe constant.
移動手段には、試料2の表面と平行な方向への変位に加えて、試料の表面に垂直なZ方向への変位機能を与えておく。変位計測手段からの信号を受けて、フィードバック回路はこの信号が一定となるように、位置指定部に対してフィードバック制御信号を出力する。位置指定部は移動手段に対してZ方向の位置を制御する。フィードバック制御信号は、基準信号と変位計測手段からの信号との差異に依存した信号である。これら一連のフィードバック制御により、プローブと試料の表面との距離をおよそ一定に保ち、液架橋7の形成時間あるいは形成量を安定させることができる。また、試料に過度の力が加わることを避けることができるので、安定して試料表面上を走査し試料表面の成分をイオン化することができる。
In addition to displacement in the direction parallel to the surface of the
1 プローブ
2 振動手段
3 基板
7 イオン取込部
8 試料ステージ
9 液体供給手段
10 第一の電圧印加手段
11 固定部
14 第二の電圧印加手段
17 イオン引出電極
18 試料
100 イオン化装置
DESCRIPTION OF
Claims (11)
試料を保持する保持台と、
前記保持台に保持されている前記試料のイオン化する部分を決めるためのプローブと、
前記プローブの一端を自由端とし、且つ前記プローブを前記イオン化装置に固定する固定部と、
前記試料のイオン化したイオンを引き出す引出電極と、
前記試料の一部領域に液体を供給する液供給手段と、
前記プローブと前記引出電極との間に電圧を印加する手段と、
前記プローブを振動させるための振動手段と、を有し、
前記振動手段は、前記プローブの固有振動数で振動する第一のプローブ振動、および前記固有振動数のn次(nは2以上の整数)の高調波の振動数で振動する第二のプローブ振動、の少なくとも2つの振動を生ぜしめる手段である
ことを特徴とするイオン化装置。 An ionizer,
A holding table for holding the sample;
A probe for determining an ionized portion of the sample held on the holding table;
One end of the probe as a free end, and a fixing part for fixing the probe to the ionization device;
An extraction electrode for extracting ionized ions of the sample;
Liquid supply means for supplying a liquid to a partial region of the sample;
Means for applying a voltage between the probe and the extraction electrode;
Vibration means for vibrating the probe,
The vibration means includes a first probe vibration that vibrates at a natural frequency of the probe, and a second probe vibration that vibrates at a harmonic frequency of an nth order (n is an integer of 2 or more) of the natural frequency. An ionizer characterized by being means for generating at least two vibrations.
前記画像形成装置は、前記質量分析装置によって分析された質量情報と前記試料表面における前記領域の位置情報とから試料に含まれる物質の成分の分布を画像表示するための画像情報を作成する画像形成部と、前記画像情報を表示装置に出力する画像表示部とを有する、画像形成装置、
を有することを特徴とする、画像形成システム。 An image forming system comprising the mass spectrometer according to claim 6 and an image forming apparatus,
The image forming apparatus generates image information for displaying an image of a distribution of components of a substance contained in a sample from mass information analyzed by the mass spectrometer and position information of the region on the sample surface. An image forming apparatus, and an image display unit that outputs the image information to a display device,
An image forming system comprising:
一端を自由端とし、且つ他端がイオン化装置に固定されたプローブによって試料のイオン化する部分を決める工程、
引出電極により前記試料のイオン化したイオンを引き出す工程、
前記試料の一部領域に液体を供給する工程、
前記プローブと前記引出電極との間に電圧を印加する工程、
前記プローブを振動させる工程、を有し、
前記プローブを振動させる工程が、前記プローブの固有振動数で振動する第一のプローブ振動、および前記固有振動数のn次(nは2以上の整数)の高調波の振動数で振動する第二のプローブ振動、の少なくとも2つの振動を生ぜしめることを特徴とするイオン化方法。 An ionization method comprising:
Determining a portion of the sample to be ionized by a probe having one end as a free end and the other end fixed to an ionizer;
Extracting ionized ions of the sample with an extraction electrode;
Supplying a liquid to a partial region of the sample;
Applying a voltage between the probe and the extraction electrode;
Oscillating the probe, and
The step of vibrating the probe includes a first probe vibration that vibrates at a natural frequency of the probe, and a second vibration that vibrates at a harmonic frequency of an n-th order (n is an integer of 2 or more) of the natural frequency. An ionization method characterized by generating at least two vibrations of the probe.
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