质谱仪以及质量图像分析系统的制作方法

质谱仪以及质量图像分析系统的制作方法
【专利摘要】为了提供能够使用水分子执行高灵敏度测量的质谱仪。质谱仪具有样本(2)设置在其中的室(5)，用于向样本发射粒子的照射单元(3)，以及将从样本发射的二次离子引导至质谱分析单元(4)的提取电极，其中，所述照射单元切换第一模式和第二模式，第一模式发射用于导致从样本发射二次离子的一次离子，第二模式发射含有要附着到样本的水分子的粒子，并且所述照射单元向样本发射该粒子。
【专利说明】质谱仪以及质量图像分析系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及使用水分子的质谱仪以及使用该质谱仪的质量图像分析系统。

【背景技术】
[0002]如下的分析方法是已知的，该分析方法使用基质辅助激光解吸/离子化(MALDI)和二次离子质谱分析(SIMS)基于质量信号强度来全面地可视化在肿瘤组织等中发展出的蛋白质的量。
[0003]在利用MALDI或SMS对活体样本的测量中，样本构成成分在离子化状态下被检测。特别地，在许多情况下，样本构成成分作为添加了质子的分子被检测。因此，为了增加对于样本构成成分的检测灵敏度，向样本构成成分添加质子是有效的。作为促进向样本构成成分添加质子的方法，使用样本中含有的水分的方法以及从外部向样本给予水分的方法是已知的。NPL I公开了通过在水气氛中冷却样本来使得样本吸收水分以生成添加了质子的分子的方法。
[0004]在SMS中，已经研宄了利用簇离子(cluster 1n)作为用于离子化样本的一次离子射束源。迄今为止，其原子被离子化的离子(单原子离子)已被用于一次离子(primary1n)。通过使用具有高质量的簇离子，与使用具有低质量的单原子离子的情况相比，可降低对于样本的伤害并且可实现具有较大分子量的样本构成成分的检测。PTL I公开了用于使用气体簇离子作为一次离子射束源来执行质谱分析的方法。
[0005]引文列表
[0006]专利文献
[0007]PTL I 日本专利特开 N0.2011-29043
[0008]非专利文献
[0009]NPL I Langmuir 2008,24,P.7906
[0010]已经存在如下这样的问题:当水或蒸汽被引至质谱仪内时，该装置内部暴露于水蒸汽气氛，因此该装置被污染。
[0011]根据NPL 1，通过将测量室设定为真空状态，然后冷却样本，使得测量室中残留的水分子附着到样本。根据该方法，难以控制测量室中的水分子的量，并且难以控制要给予样本表面的水分子的量。因此，当给予大量的水分子时，导致离子检测灵敏度降低，或者当要被给予的水分子的量小时，在某些情况下不能充分实现离子检测灵敏度增大。
[0012]PTL I中公开的水簇离子喷射样本以产生二次离子(secondary 1n)。因此，水簇离子向样本的照射对样本本身造成伤害。因而，该方法不适于作为在测量之前将水分子给予样本以促进离子化的方法。


【发明内容】

[0013]本发明提供了一种使用水分子实现高灵敏度测量的质谱仪。
[0014]此外，本发明提供了一种具有能够由一次离子和用于给予水分子的粒子照射样本的照射单元的质谱仪。
[0015]根据本发明的质谱仪是如下这样的质谱仪，该质谱仪以一次离子照射样本以执行从样本发射的二次离子的质谱分析，并且该质谱仪具有在其中设置该样本的室、用于用粒子照射样本的照射单元、以及将从样本发射的二次离子引导至质谱分析单元的提取电极，其中，照射单元切换照射一次离子以便导致从样本发射二次离子的第一模式和发射含有要附着到样本的水分子的粒子的第二模式，并且向样本发射该粒子。
[0016]根据本发明，由于含有要在测量之前被给予的水分子的粒子和用于测量的一次离子两者可通过切换被单独地给予样本，因此可提供允许高灵敏度测量的质谱仪。
[0017]通过使用水簇离子作为一次离子，作为产生源的水分子到引入部和样本的路径、在该路径中设置的屏蔽或分隔单元等可被共用，并且消除了在室中设置可能导致污染的另一引入单元(诸如蒸汽引入阀)的必要性。这允许通过简单的配置实现高灵敏度测量。
[0018]本发明的进一步特征将从以下参考附图对示例性实施例做出的描述变得清楚。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1A和IB是示出根据本发明的实施例的装置配置的概略的示意图。
[0020]图2A和2B分别示出[Ang1tensin II+H]+的峰值区域强度和水分子派生离子[H3O]+的峰值区域强度的信号强度关系表以及与使用晶体振荡器传感器测量的水分子的给予量的关系。
[0021]图3A至3C是描述了本发明的水分子给予过程的视图。
[0022]图4A至4E是描述本发明的示例的视图。

【具体实施方式】
[0023]下文，参照图1A和IB描述本发明的方法以及用于本发明的方法的装置的配置。图1A和IB是示出用于实行根据本发明的实施例的方法的装置配置的概略的示意图。该描述是本发明的一个实施例，并且本发明不局限于此。
[0024]在本发明中，一次离子以及含有水分子的粒子的照射可能形成射束或者可能不形成射束。本发明的射束指的是粒子在形成群的同时在同一方向上移动的流。但是，此流可展现粒子群的平均移动方向，所有粒子的移动方向不需要完全是同一方向。另一方面，当不形成射束时，形成不具有特定流的粒子群。
[0025]在本发明中，当一次离子和含有水分子的粒子的照射不形成射束而是形成粒子群时，一次离子和含有水分子的粒子的照射可通过在样本表面附近散射粒子群来执行。在形成射束的情况下，可利用电场等由一次离子照射样本表面，当含有水分子的粒子是离子时，可利用电场等由该粒子照射样本表面，或者当含有水分子的粒子是非离子粒子时，可利用压力差等由该粒子照射样本表面。从可控性的角度看，一次离子和含有水分子的粒子形成射束是适当的，但是本发明不局限于射束的应用。在说明书中，在射束和粒子群两者都可接受的情况下，描述“射束”。
[0026]本发明的质谱仪允许作为样本表面的二维质量分布图像的质量分布测量。质谱仪具有射束生成部3，该射束生成部3作为用于通过切换照射一次离子射束的第一模式和发射含有水分子(H2O)的粒子以使得水分子附着到样本的第二模式来由一次离子和粒子照射在样本台架I上的样本2的表面的射束照射单元。质谱仪进一步具有二次离子检测部4，该二次离子检测部4是用于检测从样本生成的二次离子的质谱仪。
[0027]此外，本发明的质谱仪适当地具有能够冷却样本的样本冷却部6、诸如电加热线加热器的能够加热样本的加热部7以及在样本2附近的诸如热偶的温度监控器8。通过使用样本冷却部6、加热部7和温度监控器8，样本的温度可被保持为+40°C到-160°C的范围中的某一温度。
[0028]对于样本冷却部6，可使用使得在被保持真空的测量室5外部设置的液氮罐与样本冷却部6相互热接触的机制。样本冷却部6也可由Peltier元件等构成。
[0029]样本2是固体，并且高分子量成分、低分子量成分、有机成分、无机成分、活体、内部器官、活体派生样本、组织片段、细胞、培养细胞等可被作为示例。作为构成样本2的结构的示例，可提及有机成分、无机成分、蛋白质、缩氨酸、糖链、多核苷酸、寡核苷酸等。
[0030]基板51被设置在样本台架I上。样本台架I具有在水平方向和垂直方向上的移动机构。通过如所希望地在XYZ方向上移动样本台架1，样本2上的希望区域可被设定为测量目标区域。除此之外，样本台架I具有倾斜机构，并且可希望地改变一次离子和含有水分子的粒子对于样本的入射角。
[0031]作为二次离子检测部4，可采用诸如飞行时间类型、磁场偏转类型、四极类型、离子陷阱类型和傅里叶变换离子回旋共振类型的质谱分析方法。此外，可采用扫描类型和投影类型的成像质谱分析方法。
[0032]当采用扫描类型的成像质谱分析方法时，为了增大空间分辨率，必须使一次离子射束聚集至所希望的空间分辨率的量级。另一方面，在投影类型的成像质谱分析方法中，由于空间分辨率不依赖于射束直径，因此可使得射束直径大于扫描类型中的射束直径。例如，可使用数十微米或更大的射束直径。因此，采用投影类型的成像质谱分析方法是适当的。当在采用投影类型的成像质谱分析方法的情况中采用飞行时间类型的质谱分析方法作为二次离子检测部时，样本平面内的二次离子生成位置以及二次离子的检测时间可被同时记录。因此，当采用投影类型的成像质谱分析方法时，采用飞行时间类型的质谱分析方法是适当的。
[0033]该装置具有第二模式，该第二模式通过由含有水分子的粒子以比第一模式中的一次离子的照射的速度或能量低的速度或能量照射冷却后的样本2来使得水分子附着到样本表面。通过第二模式可在样本表面上形成水分子膜9。
[0034]在第二模式中，照射单元以如下方式发射含有水分子的粒子，即该粒子附着到样本表面，并且发射的粒子可以是非离子粒子或离子粒子。
[0035]然后，通过在第一模式中由一次离子射束照射样本，从样本发射二次离子10。通过利用二次离子检测部4来检测发射的二次离子10，执行质谱分析。
[0036]含有水分子的粒子的射束以及一次离子射束被从同一射束生成部3发射。更具体而言，生成含有要附着到样本的水分子的粒子的功能以及生成一次离子射束的功能被切换使用。
[0037]当使用含有水分子的粒子的射束以便给予水分子时，可通过调整射束的照射范围、照射时间以及照射量向样本的希望位置给予希望数量的水分子，从而使得可降低水分子撞击装置中的除希望位置之外的位置的可能性。
[0038]因此，通过使用含有水分子的粒子的射束，可提供能够执行高灵敏度测量的质谱仪，在该质谱仪中给予水分子时的可控性高并且该质谱仪可旨在降低装置的污染。
[0039]当含有水分子的粒子的射束是非离子粒子的射束时，没有通过各种类型的电极来对射束进行加速，从而速度和能量低于离子射束的速度和能量。因此，通过使用含有水分子的非离子粒子的射束，可降低在给予水分子时的对样本的伤害。
[0040]另一方面，当含有水分子的粒子的射束是离子粒子的射束时，对于样本的水分子的给予可通过各种类型的电极被更高度地控制。在此情况下，通过使用速度和能量充分低于一次离子射束的速度和能量的射束，可抑制对于样本的伤害。
[0041]在一些情况下，在射束中混合了离子粒子和非离子粒子。但是，在本发明中，由于与一次离子相比所有粒子具有低能量和低速度并且对于样本的伤害可被抑制，因此离子粒子和非离子粒子可被混合。在此说明中，即使在离子粒子和非离子粒子在射束中混合的情况下，当在形成射束时使用离子物质作为射束的主原料或者使用离子化粒子的过程时，要被形成的射束仍被指示为离子粒子，并且在其他情况中，要被形成的射束被指示为非离子粒子。
[0042]射束照射单元
[0043]关于作为射束照射单元的射束生成部3的配置，可如稍后描述的各实施例中详细描述地那样采用各种形式。此配置至少包含可连接到如图1A和IB中所示地在其中设置有样本的测量室5的粒子生成室24，以及要形成射束的粒子的引入部11或18。对于粒子生成室24，为了通过从引入部发射液体或气体来生成粒子，使用耐压室，从而可实现室中的压力降低和压力增大。
[0044]此外，适当地是在室的连接部处设置闸门(gate)以便可独立于测量室5中的压力来调整粒子生成室24中的压力，并且进一步地，排气泵连接到各室。因此，例如一度附着到粒子生成室的不需要的水分子可在不经过测量室的情况下被排出和去除。此外，为了促进附着到粒子生成室的内部的水分的蒸发，可提供诸如加热单元的蒸发促进单元。
[0045]非离子粒子指的是与离子化的离子粒子(诸如离子化的单原子或分子离子或者聚原子或聚分子簇离子)相比未被离子化的粒子。作为该粒子，提及了单原子或分子或者聚原子或聚分子粒子的簇。
[0046]含有要附着到样本的水分子的粒子的射束
[0047]从射束生成部3发射的含有要附着到样本的水分子的粒子的射束可仅由水单体构成或者仅由水簇构成或者可由水单体和水簇两者构成。Ar等的单体或簇以及水单体或水簇可被混合。氦气、氮气等以及水单体或水簇可被混合。在要被供给射束生成部的水中，诸如酒精的有机溶剂(例如，乙醇或甲醇)可被预先调配。在要被供给射束生成部的水中，酸(诸如甲酸、乙酸和三氟乙酸)可被预先调配。
[0048]为了增大对于二次离子的检测灵敏度，向二次离子检测范围的整个范围给予水分子是适当的。因此，要被给予样本的水分子的范围、即照射样本的含有水分子的粒子的射束直径等于或大于一次离子射束的照射直径。在本发明中，“等于”指的是在直径比方面为0.9到 1.1o
[0049]一次离子射束
[0050]从射束生成部3发射的一次离子射束可以是能够从样本2发射二次离子的射束。一次离子的类型不被特别限制，并且例如可使用液态金属离子(诸如Bi+或Ga +)、金属簇离子(诸如Bi3+或Au 3+)、碳簇离子(诸如C60+)、液体簇离子(诸如水(H2O))，气体簇离子(诸如Ar)等。由于簇离子具有降低伤害的效果，因此簇离子对于活体样本是有效的。
[0051]水分子的给予
[0052]为了向样本表面给予水分子，测量室5的内部首先被排空。然后，样本被保持处于如下温度，在该温度，要被引入的水或液态溶液可成呈现为固体或液体。温度依赖于真空室的压力，并且可被从要被引入的水或液态溶液的蒸汽压力曲线来确定。然后，用含有水分子的非离子化粒子的射束照射样本。在此情况中，要被给予样本表面的水分子的量可通过调整含有水分子的非离子粒子的射束的照射量以及样本温度而被调整。
[0053]通过扫描台架，可将水分子给予多个部分。要被给予样本表面的水分子的形式和面积可根据含有水分子的非离子粒子的照射射束直径以及照射斑点的数量改变。
[0054]通过上述方法形成的水分子9被控制为具有允许一次离子射束到达样本2的表面并且不阻碍样本2的构成成分的消除的附着量以及形式。
[0055]要被给予样本表面的水分子可具有水分子离散分布的形式或者水分子形成连续膜形状的形式。作为水分子离散分布的形式，可采用点形状、岛形状或者其中离散岛形状部分连接的不连续膜形状。这些形式还可被认为是不连续膜的一种形式。可采用给定水分子形成连续膜形状的情况、膜厚度均匀的情况或者具有不均匀膜厚的不均匀膜。当认为给定水分子形成膜状形状时，可使用冰密度从质量转换得到平均膜厚度。当冰的密度为0.93g/cm3时，10ng/mm2的给定水分子的平均量等同于Ilnm的平均膜厚度。
[0056]控制要被给予样本表面的水分子的量的方法
[0057]作为用于控制要被给予样本2的表面的水分子9的量的方法，提及如下方法作为该控制方法的示例，该方法包括在例如样本的一个位置上设置晶体振荡器传感器(QCM:石英晶体微天平)，然后预先研宄含有水分子的非离子粒子的射束的照射量与要被给予样本的水分子的量之间的关系。或者，提及如下方法作为该控制方法的示例，该方法包括通过计算被引入的水分子的数目或者撞击样本的水分子的数目来计算水分子的附着量，然后控制水分子量以便给予合适数量的水分子。当被给予水分子9的面积足够大时，如下方法被提及作为该控制方法的示例，该方法使用红外光或者可见光的反射率变化来测量水分子附着量，然后控制水分子量以便给予合适数量的水分子。
[0058]可根据要被使用的质谱仪的配置或者样本的类型改变水分子9的量。作为对于要被使用的质谱仪的配置或者样本的类型找到最优的水分子量的方法，如下方法被提及作为该方法的示例，该方法包括预先准备被一次给予过量的水分子的样本，然后在测量室5中测量样本的同时增大基板51的温度，以逐渐减小水分子9的附着量。通过质谱分析来测量数量与水分子9(H20+，[H2CHH]+等)和样本构成成分离子不同的从一些样本2获得的水分子派生离子的信号强度，然后创建H3O+的信号强度与样本构成成分离子的信号强度关联表。通过该关联表，可找到与适当的水分子9的附着量对应的水分子派生离子的信号强度的值。
[0059]当在创建了上述的具有信号强度关联信息的信号强度关联表之后通过相同装置的配置来执行相同类型的样本2的质谱分析时，参照该关联表来调整水分子9的量以便水分子派生离子(H2O+, [H2CHH]+等)的信号强度可变为最优值。具体而言，当水分子9的量大时，基板51的温度增大以减少水分子9，并且当水分子9的量小时，重复给予水分子的过程。通过在将水分子9的量调整为最优量之后测量样本2的构成成分，可在最优状态下重复执行具有高可再现性的测量。
[0060]构成成分的质谱分析
[0061]在给予水分子9之后，在保持样本2的温度的同时来用一次离子射束照射样本2，由此执行质谱分析。通过被给予表面的水分子9的作用来促进对于样本构成成分的质子添加，从而可高灵敏度地检测样本2的构成成分。当溶液成分在固体(冰)的状态中附着时，样本2的水溶成分的流出可被抑制，从而可实现保持样本2的构成成分的固有分布信息的检测。此外，通过参照水或冰的蒸汽压力曲线图还在质谱分析期间保持样本温度等于或者低于水或冰的蒸发温度，并且保持可抑制在真空中残留的水分子的附着的温度和真空状态，水分子的附着量可在长时间段上被均匀保持为一定量，并且可实现长期且稳定的检测。
[0062]依赖于水分子附着量的构成成分检测强度的变化
[0063]接下来，参照图2A和2B描述被给予样本表面的水分子的量以及样本构成成分的离子检测强度。
[0064]对于样本，使用人派生肽分子"Ang1tensin II(Mw:1046)〃。首先，准备其中样本以10_6M溶解在离子交换水中的溶液。接下来，通过喷墨排出单元在硅晶片上使用该溶液形成Ang1tensin II的喷墨打印点图案。这样形成的一个点的大小的直径为约100 μπι，并且每个点中存在约30fmol的Ang1tensin II分子。通过测量该点，可比较检测强度。
[0065]为了研宄基于水分子附着量的样本构成成分的检测强度的改变，准备其中水分子附着量改变的Ang1tensin II的点图案样本。通过如上所述地在相同条件下执行每个点的质谱分析，所获得的质量谱中的[Ang1tensin II+H]+的峰值区域强度与水分子派生离子[H3O]+的峰值区域强度的信号强度关联表在图2A中被示出，并且所获得的质量谱中的[Ang1tensin II+H]+的峰值区域强度与使用晶体振荡器传感器测量的水分子的给定量之间的关系在图2B中被示出。图2A中的水分子派生离子[H3O]+的信号强度与水分子附着量相关联。通过该关联表，可找到对应于适当水分子附着量的水分子派生离子的信号强度的值。此外，如从图2B理解地，理解如下状态，其中当改变水分子附着量时样本构成成分的检测强度改变。
[0066]为了通过给予水分子来增大离子检测灵敏度，合适的是，要被给予样本的水分子9的量为样本表面的每平方毫米20ng(20ng/mm2)或更低，并且合适地为0.lng/mm2或更大且20ng/mm2或更小。或者，可以说水分子9的合适平均膜厚度为22nm或更小或者在0.1lnm或更大且21.5nm或更小的范围内。因此，假定照射样本的所有水分子附着到样本并且冰密度为0.93g/cm3，照射样本的水分子的数目可被调整为3.3 X 112分子/mm2或更大且6.7 X 10 14分子/cm2或更小。
[0067]接下来，详细描述本发明的实施例。
[0068]第一实施例
[0069]参照图1A描述根据本发明的第一实施例的射束生成部3。由于除了射束生成部之外的配置与上文所述配置相同，因此描述被省略。
[0070]首先，描述生成含有水分子的非离子粒子的射束的方法。
[0071]通过使纯水或者具有N2、He等的水溶液起泡而生成的蒸汽被从第一引入部11 (诸如喷嘴)以约0.1MPa到IMPa的压力被喷射到射束生成部3内。作为替代，纯水或水溶液可被从第一引入部11通过向其供给压力而喷射。
[0072]在此情况中，还可通过利用绝热膨胀导致的冷却效应使喷射的蒸汽形成为水簇。
[0073]喷射的蒸汽的一部分通过由屏蔽或分隔单元(诸如刮削器)构成的射束形成部12，形成含有水分子的非离子粒子的射束。
[0074]通过由生成的含有水分子的非离子粒子的射束照射冷却后的样本，可将水分子给予该样本。
[0075]接下来，描述生成一次离子射束的方法。
[0076]当对于一次离子射束使用液态金属离子(诸如Bi+或Ga+)、金属簇离子(诸如Bi3+或Au3+)或碳簇离子(诸如C60+)时，从第二引入部18引入离子源材料(诸如Bi，Ga，Au和C60)。然后，通过离子射束形成部19来使该材料离子化，然后将其引至第三偏转电极20。对于离子射束形成部19，用于一般离子枪的机构可被使用，并且例如该机构由提取电极、偏转电极、孔口、过滤电极、质量分离器等构成。在第三偏转电极中，一次离子射束的轨道被朝样本偏转。
[0077]当使用液体簇离子(诸如水(H2O))或者气体簇离子(诸如Ar)作为一次离子射束时，气体被从第二引入部18 (诸如喷嘴)以约0.1MPa到IMPa的压力喷射到射束生成部3内。
[0078]当对于一次离子射束使用水簇离子时，通过使纯水或者具有N2、He等的水溶液起泡而生成的水或蒸汽被从第二引入部18 (诸如喷嘴)以约0.1MPa到IMPa的压力被喷射到射束生成部3内。或者，纯水或水溶液可被从第一引入部11通过向其供给压力而喷射。
[0079]可通过利用绝热膨胀导致的冷却效应使喷射的气体形成为簇。
[0080]通过离子射束形成部19来将生成的簇离子化，然后将之引导至第三偏转电极20。在此情况下，离子射束形成部由刮削器等、离子化室和提取电极构成的离子射束形成部形成。簇通过构成离子射束形成部19的射束形成部并且在离子化室中被离子化。作为离子化方法，可使用电子碰撞法等。当使用液体簇离子(诸如水(H2O))作为一次离子射束时，还可使用电喷雾法作为离子化方法。在此情况中，由于高电压被施加给用于簇生成的喷嘴，离子化室不必须被单独提供。
[0081]通过被施加数keV的能量的提取电极使生成的簇离子朝第三偏转电极20加速。
[0082]如上所述生成的一次离子射束通过第三偏转电极20被偏转，然后被朝样本引导。
[0083]在一些情况下一次离子射束含有大小不同的簇离子或者单原子离子。当使用具有大质量的簇离子时，对于样本的伤害可被减小，并且可实现具有较大分子量的样本构成成分的检测。因此，拣选(sort) —次离子大小是合适的。
[0084]当拣选一次离子大小时，一次离子大小拣选部16被设置在射束生成部3中。在一次离子大小拣选部16中，可设置诸如飞行时间类型、磁场偏转类型、四极类型、离子陷阱类型和傅里叶变换离子回旋共振类型的质量分离器。
[0085]例如，当使用飞行时间类型的质量分离器来拣选簇大小时，通过由第一偏转电极15执行削波使得通过提取电极14被加速的水簇离子射束首先经受脉冲缩短。接下来，通过给予适当的延迟时间(飞行时间)，然后通过第二偏转电极17再次执行削波，拣选出特定大小的一次离子。
[0086]可将磁场偏转类型的质量拣选功能赋予第三偏转电极20。
[0087]—次离子大小拣选部60、第一偏转电极15和第二偏转电极17可被安装在射束形成部19中，或者可被设置在射束形成部19与第三偏转电极20之间。
[0088]由此拣选出的一次离子被从射束生成部3发射，然后被给予水分子9的样本可被该一次离子照射。
[0089]为了调整射束直径以及射束轨道，在射束生成部3中设置一个或多个聚束电极是合适的。
[0090]根据此实施例，用于给予水分子的非离子粒子的射束以及一次离子射束两者可被从同一射束生成部发射。
[0091]当用于给予水分子的含有水分子的非离子粒子的射束被使用时，通过调整该射束的照射范围、照射时间和照射量可向样本的希望位置给予希望数量的水分子，并且可降低水分子撞击装置中除希望的位置之外的位置的可能性。因此，通过使用含有水分子的非离子粒子的射束，可提供能够执行高灵敏度测量的质谱仪，其中给予水分子时的可控性高并且可实现装置污染减少。
[0092]由于含有水分子的非离子粒子的射束未被各种电极加速，因此与一次离子射束相比，速度较低并且能量较小。因此，含有水分子的非离子粒子的射束的使用可减小在给予水分子时对于样本的伤害。
[0093]第二实施例
[0094]在根据本发明的第二实施例中，含有水分子的非离子粒子的射束以及一次离子射束通过共用的第一引入部11被引入射束生成部3。
[0095]参照图1B描述射束生成部3。由于除了射束生成部3之外的配置与上文所述配置相同，因此描述被省略。
[0096]含有水分子的非离子粒子的射束通过与第一实施例相同的方法被生成。如上所述，含有水分子的非离子粒子的射束可以是水单体简单物质或者水簇简单物质，并且这两种简单物质可被混合。但是，当使用水簇离子作为一次离子射束时，含有水分子的非离子粒子的射束是可接受的。
[0097]在此实施例中，使用液体簇离子(诸如水(H2O))或者气体簇离子(诸如Ar)作为一次离子射束。
[0098]由于含有水分子的非离子粒子的射束被从射束生成部3发射，因此对于一次离子射束使用水簇离子是合适的。更具体而言，对于一次离子射束使用水簇离子消除了切换要被提供给第一引入部11的物质的必要性，从而第一引入部11可被共用。
[0099]首先，通过与第一实施例相同的方法，气体被从第一引入部11(诸如喷嘴)以约0.1MPa到IMPa的压力被喷射到射束生成部3内。
[0100]在引入部11中，用于喷射水或用于生成含有水分子的非离子粒子的射束的水溶液的诸如喷嘴的机构以及用于喷射用于生成一次离子射束的诸如喷嘴的机构可被分别提供，或者同一机构可被共用。但是，使用同一机构是合适的，这是因为两个射束的光轴相同，并且消除了对于各射束执行轴向对齐的必要性。
[0101]通过利用绝热膨胀导致的冷却效应使喷射的气体形成为簇。
[0102]生成的簇的一部分通过由刮削器、多个孔口、多个狭缝等构成的射束形成部12，然后被引导至离子化室13。水簇在离子化室13中被离子化以生成水簇离子。作为离子化方法，可使用电子撞击法等。当使用液体簇离子(诸如水(H2O))作为一次离子射束时，还可使用电喷雾法作为离子化方法。在此情况中，由于高电压被施加给用于簇生成的喷嘴，离子化室不必被单独提供。
[0103]通过被施加数keV的能量的提取电极14使生成的簇离子朝样本加速。
[0104]生成的簇离子具有数个至数千个的宽大小分布。当使用具有大质量的簇离子时，可减小对样本的伤害，并且可实现具有较大分子量的样本构成成分的检测。因此，拣选簇离子大小是合适的。
[0105]当拣选簇大小时，簇大小拣选部16被设置在射束生成部3中。在簇大小拣选部16中，可设置诸如飞行时间类型、磁场偏转类型、四极类型、离子陷阱类型和傅里叶变换离子回旋共振类型的质量分离器。
[0106]例如，当使用飞行时间类型的质量分离器来拣选簇大小时，通过由第一偏转电极15执行削波使得通过提取电极14被加速的簇离子射束首先经受脉冲缩短。接下来，通过给予适当的延迟时间(飞行时间)，然后通过第二偏转电极17再次执行削波，拣选出特定大小的簇。由此拣选出的簇离子被从射束生成部3发射，并且被给予水分子9的样本2可被簇离子照射。为了调整射束直径和射束轨道，在射束生成部3中设置一个或多个聚束电极是合适的。
[0107]一次离子射束以及含有水分子的非离子粒子的射束的的切换可基于在离子化室13中是否执行离子化来执行。
[0108]根据此实施例，含有水分子的非离子粒子的射束以及一次离子射束可通过同一第一引入部11被引入射束生成部3。通过在引入部11中共用用于喷射水或用于生成含有水分子的非离子粒子的射束的水溶液的诸如喷嘴的机构以及用于喷射用于生成一次离子射束的气体的诸如喷嘴的机构，这两个射束的光轴相同，并且消除了对于各射束执行轴向对齐的必要性。
[0109]第三实施例
[0110]在第三实施例中，含有水分子的离子粒子被用作在第二模式中要附着到样本的粒子。
[0111]更具体而言，在第一和第二模式两者中使用水离子粒子。一次离子含有水分子。通过改变照射条件(例如加速能量)以改变在第一模式中由一次离子照射样本的加速能量以及在第二模式中由离子粒子照射样本的加速能量，生成粒子。
[0112]存在两个水平或者更多水平的照射条件。由于一个水平的加速能量是与由一次离子以最高加速能量进行照射所导致的对样本的伤害相比将对样本的伤害降低到可忽略水平的加速能量这一事实，粒子可被用作在第二模式中要附着到样本的离子粒子。其他配置与第一和第二实施例中的那些配置相同。
[0113]在本发明中，一次离子的加速能量可以是固定的，或者可改变为两个水平或更多水平。在具有两个水平或更多水平的情况下，当一次离子的照射以高加速能量执行时，溅射比(每个一次离子的从表面发射的二次粒子的数目)增大。因此，尽管二次离子质谱分析中的信号强度可被增大，但是对样本的伤害升高。另一方面，当一次离子的照射以低加速能量执行时，溅射比减小。因此，尽管二次离子质谱分析中的信号强度可减小，但是对样本的伤害可被抑制。在加速能量较低时，进入样本的一次离子的深度较短。因此，通过由一次离子以低加速能量进行照射使得构成一次离子的分子容易沉积在样本表面上。
[0114]因此，当使用与在第一模式中由一次离子进行照射所导致的对样本的伤害相比将对样本的伤害降低到可忽略水平的加速能量作为第二模式中用离子进行照射的加速能量时，可使用离子将水分子高效地给予样本表面。由于在通过第二模式由离子进行照射期间不必进行测量，因此不必从样本发射二次离子。
[0115]当除了通过非离子粒子给予水分子之外还使用具有低加速能量的一次离子给予水分子时，实现利用电场的离子控制。因此，有助于要被给予的水分子的区域或量的精细调整。
[0116]本申请中提及的伤害指示由一次离子的照射导致的以下状态中的任一个:(1)样本构成成分被从样本表面溅射到真空的状态，(2)样本表面的形式改变的状态，以及(3)样本表面的分子的组成和化学状态改变的状态。可忽略伤害指的是以下事实:与使用两个水平或更多水平的加速能量之中的最高加速能量的一次离子的照射的情况相比，由一次离子进行照射之前和之后的上述⑴到⑶中的改变量为1%或更小。上述⑴到⑶中的改变量可通过使用诸如原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱和二次离子质谱分析的表面分析方法、重量测量、由触针型轮廓仪进行的水平差测量等来评估。
[0117]本发明中使用的一次离子的加速能量未被特别限制。由于用于获得最高溅射比的最优值根据一次离子类型和样本分子类型的组合改变，因此加速能量可根据它们的组合被设定。但是，当使用I到10keV的加速能量时，溅射效率在许多情况下大大提高。当加速能量高于此能量时，一次离子深深进入样本以显著破坏样本内部，从而溅射比在一些情况下减小。从上文描述可见，在两个水平或更多水平的加速能量之中的最高加速能量的一次离子的照射中合适地使用在I到10keV的范围中的加速能量。
[0118]当加速能量低于IkeV时，在许多情况下溅射比显著减小。因此，当加速能量被设定为IkeV或更低时，二次离子质谱分析中的信号强度变得非常小，但是可使得样本伤害小。本发明中用于给予水分子的一次离子的加速能量未被特别限制，只要与使用两个水平或更多水平的加速能量之中的最高加速能量的一次离子的照射所导致的样本伤害相比，对样本的伤害降低至可忽略水平即可。从上文描述的原因，加速能量合适地为10eV或更低，并且更合适地为1eV或更低。或者，用于旨在给予水分子的一次离子照射的加速能量比最高加速能量(即，旨在增加二次离子质谱分析的灵敏度的加速能量)合适地小两个或更多个位数(digit)，并且更合适地小至少三个或更多个位数。
[0119]加速能量的改变可通过各种类型的电极的相对于样本电势的电势差(加速电压)被控制。因此，当由具有正极性的一次离子照射样本时，例如，低加速能量的照射可通过将电势差保持为固定水平并且将样本电势设定为稍低于电极电势来实现，从而可在抑制样本伤害的同时给予水分子。接下来，通过将样本电势设定为地电势，可实现高加速能量的照射，从而可高灵敏度地执行二次离子质谱分析。
[0120]第四实施例
[0121]在根据本发明的第四实施例中，含有水分子的非离子粒子的射束的照射以及一次离子射束的照射在被交替切换的同时被执行。除了照射方法之外的其他配置与第一和第二实施例中的相同。
[0122]在本发明中，以脉冲方式发射含有水分子的非离子粒子的射束是合适的，并且对于引入部11使用脉冲阀是合适的。通过以脉冲方式发射射束，要被给予的水分子的量可由脉冲数目(即，要被引入的脉冲的数目)控制，从而要被给予样本表面的水分子的量的可控性可被提尚。
[0123]通常，为了获得分析所需的检测强度，在质谱分析中重复执行测量以整合(integrate)数据。当重复测量以整合数据时，含有水分子的非离子粒子的射束的照射以及一次离子射束的照射可被交替执行。例如，在脉冲方式的各射束的照射中，如图3A所示，含有水分子的非离子粒子的射束的照射在一个脉冲中执行，然后一次离子射束的照射在一个脉冲中执行，从而可检测到二次离子。通过重复此过程，分析所需的信号检测强度可被获得。各射束的脉冲照射不需要对于每一个脉冲被执行，并且可对于每多个脉冲被执行。例如，如图3B所示，含有水分子的非离子粒子的射束的照射可在二个脉冲中执行，然后一次离子射束的照射可在一个脉冲中执行，从而可检测到二次离子。或者，如图3C所示，含有水分子的非离子粒子的射束的照射可在一个脉冲中执行，然后一次离子射束的照射可在两个脉冲中执行，从而可检测到二次离子。
[0124]如图4A到4E所示，在含有水分子的非离子粒子的射束21的一个脉冲中，其一部分可被离子化以形成一次离子射束22，然后可由这两种射束来照射样本。图3A至3C以简化方式示出了射束生成部3的内部。图4A到4E示出了从脉冲被发射到射束生成部3内部的过程直到脉冲以时间顺序撞击样本的过程的过程。
[0125]由于在射束生成部3中通过提取电极14等将一次离子射束22加速并且通过一次离子射束22照射样本，因此样本首先被一次离子射束22照射(图4D)。此后，以延迟方式通过非离子粒子的射束21照射样本(图4E)。更具体而言，主要在第一循环中的非离子粒子射束的照射之后给予水分子。因此，以如下方式确定脉冲间隔是合适的，即样本被非离子粒子的第一射束脉冲21照射(图4E)，然后样本被非离子粒子的第二射束脉冲23的部分离子化一次离子射束照射。在此情况中，为了简化装置配置，含有水分子的非离子粒子的射束是水簇射束(包含水单体)并且其中非离子粒子的射束被部分离子化的一次离子射束是水簇离子射束是合适的。
[0126]这些方法对于在样本表面上的水分子通过被一次离子射束照射而被去除时增大对于二次离子的检测灵敏度是有效的。
[0127]当以脉冲方式发射含有水分子的非离子粒子的射束时，作为控制要被给予样本2的表面的水分子9的量的方法，还可通过创建含有水分子的非离子粒子的射束的照射脉冲的数目与要被给予样本的水分子的量的关联表来获得最优的水分子给予条件。
[0128]要被给予样本的水分子的量可通过上述方法被计算。
[0129]此外，还可通过创建含有水分子的非离子粒子的射束的照射脉冲的数目与样本构成成分的离子信号强度的关联表来获得最优的水分子给予条件。
[0130]根据此实施例，通过以脉冲方式发射含有水分子的非离子粒子的射束，可通过照射脉冲的数目来控制要被给予的水分子的量，从而要被给予样本表面的水分子的量的可控性可被提尚。
[0131]第五实施例
[0132]在根据本发明的第五实施例中，给予或者去除水分子的定时响应于水分子派生离子的信号强度以如下方式被控制，即通过一次离子的一次照射获得的水分子派生离子的信号强度是固定的。除了定时控制方法之外，配置与第一到第四实施例中的那些配置相同。
[0133]当重复给予水分子、然后执行一次离子的照射以执行二次离子质谱分析的过程时，一次离子的照射导致的水分子的给予以及溅射发生。因此，紧接在一次离子的照射之前的表面上残留的水分子的量变化。当样本表面上存在的水分子的量在一次离子的每次照射中改变时，构成样本的每个分子类型的离子化效率在一次离子的每次照射中改变。作为结果，当对于同一样本区域重复执行二次离子质谱分析以整合数据时，峰值之间的相对强度在每个数据片段中变化，从而削弱了定量性。因此，当对于同一样本区域重复执行二次离子质谱分析以整合数据时，在一次离子的每次照射中使存在的水分子的量合适地固定是合适的。另外，还当不同区域之间或者不同样本之间进行定量比较时，存在的水分子的量在两种情况中相同是合适的。在此实施例中，存在的水分子的量可基于从水分子派生的离子信号被评估。因此，当给予或者去除水分子的定时响应于水分子派生离子的信号强度以如下方式被控制时可提高定量性，即通过一次离子的一次照射获得的水分子派生离子的信号强度是固定的.
[0134]即使当水分子的剩余量相同时，水分子派生离子的信号强度仍由于测量误差而轻微改变。水分子的剩余量的改变可被允许，只要不影响定量性即可。因此，在本发明中水分子派生离子的信号强度是固定的这一事实指的是在一次离子的每次照射获得的水分子派生离子的信号强度的改变在±20%内。
[0135]水分子派生离子的信号强度与样本构成成分的信号强度的信号强度关联表以与图2A的示例中的方式相同的方式被创建，并且然后可被利用。更具体而言，通过确定目标样本分子的二次离子的强度变为最大时的水分子派生二次离子的信号强度，并且以强度固定的方式控制定时，定量性优异的数据可被以良好的灵敏度获得。
[0136]其它实施例
[0137]本发明还提供了具有上述质谱仪的质量图像分析系统。
[0138]此实施例的质谱图像分析系统具有上文第一到第三实施例中描述的质谱仪、图像数据获得单元(例如，基于由该装置获得的质谱分析数据获得质量图像数据的计算机)、以及用于将所获得的质量图像数据显示为图像的显示单元(例如，显示器)。此实施例的质量图像分析系统可被构造成在其中集成了各单元的系统，或者可通过互联网等被构造成远程系统。
[0139]虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明并不限于所公开的示例性实施例。以下的权利要求应被给予最宽泛的解读从而包括所有这样的修改和等价结构和功能。
[0140]本申请要求2012年7月12日提交的日本专利申请N0.2012-156631的权益，该日本专利申请通过弓I用整体并入此。
【权利要求】
1.一种质谱仪，所述质谱仪通过一次离子照射样本以执行从所述样本发射的二次离子的质谱分析，所述质谱仪包括: 室，所述样本设置在所述室中； 照射单元，所述照射单元用于通过粒子照射所述样本；以及 提取电极，所述提取电极将从所述样本发射的二次离子引导至质谱分析单元， 所述照射单元切换第一模式和第二模式，第一模式进行导致从样本发射二次离子的一次离子的照射，第二模式发射含有要附着到样本的水分子的粒子，并且通过该粒子照射样本。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中含有水分子的粒子是非离子粒子。
3.根据权利要求2所述的质谱仪，其中照射单元是用于通过一次离子的一次离子射束和非离子粒子的射束照射样本的射束照射单元。
4.根据权利要求1所述的质谱仪，其中照射单元是用于通过一次离子的一次离子射束和含有水分子的离子粒子的射束进行照射的射束照射单元，并且用于第二模式中的粒子的照射的加速能量低于用于第一模式中的一次离子的照射的加速能量。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的质谱仪，进一步包括用于冷却所述室中的样本的冷却部。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的质谱仪，其中通过向样本的表面给予水分子来在样本的表面上形成水分子膜。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的质谱仪，其中，一次离子含有水分子，并且作为用于将含有水分子的原材料引至照射单元的引入部，用于生成一次离子的引入部以及用于生成含有水分子的粒子以使得水附着到样本的引入部是同一引入部或者是数个不同的引入部。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的质谱仪，其中，一次离子是水簇离子并且含有水分子的粒子是含有水簇的粒子。
9.根据权利要求4到8中任一项所述的质谱仪，其中，照射单元改变用于离子的照射的加速能量，并且第二模式中的粒子的加速能量是与第一模式中的一次离子的照射导致的对样本的伤害相比将对样本的伤害抑制到可忽略伤害的加速能量。
10.根据权利要求3到9中任一项所述的质谱仪，其中，照射单元具有用于脉冲化一次离子射束或粒子的射束以及用于射束照射的脉冲阀。
11.根据权利要求3到10中任一项所述的质谱仪，其中，样本被第二模式中的粒子的射束和第一模式中的一次离子射束交替照射。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的质谱仪，其中，水簇离子的射束是通过离子化被脉冲化的水簇的一部分而形成的射束。
13.根据权利要求12所述的质谱仪，其中，给予或者去除水分子的定时响应于水分子派生离子的信号强度被以如下方式控制，即通过射束的一次照射获得的水分子派生离子的信号强度是固定的。
14.根据权利要求3到11中任一项所述的质谱仪，其中，照射样本的粒子的射束的照射直径等于或者大于一次离子射束的照射直径。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的质谱仪，其中，样本被粒子以如下方式照射，即要被给予样本的表面的水分子的量是0.lng/mm2或更大且20ng/mm2或更小。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的质谱仪，其中，要被给予样本的表面的水分子的量被使用以下方法(I)到(6)中的任一个控制: (1)使用红外光或可见光的反射率变化的方法， (2)使用晶体振荡器传感器的方法， (3)使用引入的水分子的数目或者照射样本的水分子的数目的方法， (4)使用含有水分子的非离子粒子的射束的要被引入的脉冲的数目的方法， (5)使用样本构成成分离子和水分子派生离子的质谱分析中的信号强度关联表的方法，以及 (6)使用样本构成成分离子和含有水分子的非离子粒子的射束的要被引入的脉冲的数目的质谱分析中的信号强度关联表的方法。
17.—种质量图像分析系统，包含根据权利要求1到16中任一项所述的质谱仪，所述质量图像分析系统包括: 图像数据获得单元，用于基于通过所述质谱仪获得的质谱分析数据获得质量图像数据；以及 显示单元，用于将所获得的质量图像数据显示为图像。
【文档编号】H01J37/252GK104471670SQ201380037199
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】青木直文, 教学正文, 岩崎光太, 村山阳平 申请人:佳能株式会社