| 研究課題/領域番号 |
19K05188
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| 研究機関 | 金沢工業大学 |
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研究代表者 |
谷口 昌宏 金沢工業大学, バイオ・化学部, 教授 (30250418)
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| 研究分担者 |
小野 慎 金沢工業大学, バイオ・化学部, 教授 (10214181)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | アトムプローブ / 光学異性 / 電界イオン顕微鏡 / トロイダル静電レンズ / 有機分子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は電界イオン顕微鏡(FIM)とアトムプローブ(AP)を同時に運用することで、光学異性 (分子の対掌性、左右)を実空間で識別しようというものである。具体的にはFIMにより原子レベルでの表面構造の観察をしながらAPによって試料表面から脱離してくるイオン種を質量分析によって特定しようとするものである。
APの装置において現在主流となっている3次元AP (3D-AP) は位置敏感型二次元検出器によって試料から脱離するイオンを質量分析しながら漏れなく検出したデータをデータの再構築によって三次元可視化するものである。原子レベルでの位置情報を確認するには映像ガスを導入して観察する従来型FIMの方が位置分解能で優位である一方、検出データの個数、表面上でカバーする領域の広さにおいては3D-APの方が勝っている。
本研究では上述のようにトロイダル静電レンズによるエネルギー収束を行なうPoschenrieder-AP (Pos-AP) とFIMが合体した FIM-Pos-AP を使用することで、映像ガスの導入してのFIM像観察と十分な質量分解能によるAP分析を両立させることを行なう。
今年度は静電レンズによるエネルギー収束(→質量分解能の向上)とビーム収束(→イオン収率の向上)を改善して装置の運用効率を最適化するために静電レンズの実寸法を用いての電界計算とイオンの飛行軌道のシミュレーションを行ない、最善の結果を得るための設定電位を検討した。また、装置の設計製作時には検討されていなかったイオン光学系の端縁場の悪影響を低減するための条件を見出し、補正電極の取付を行なった。
さらに、FIM-Pos-APにおいてFIM観察とAP分析を真の意味で同時に実行できるようにするために、電子光学系にデフレクタ(チョッパー)を取り付け、APでの電界蒸発トリガと連動させながら分析するための設計を行なった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
研究装置の準備については、本研究で使用するFIM-Pos-AP装置自体は既に稼動しているものであるが、金属試料を想定して設計され、使用されたものであるため、有機物系の試料の分析のために、再度の調整、動作条件の確認が必要となった。
また、分析効率を向上させるために飛行時間法での質量分析に用いる計時システムを更新する必要が生じ、サブナノ秒精度のデジタルタイマー (TDC)を自作することとなった。トロイダル静電レンズの動作条件検討からは、原機の設計が不十分であったことが確認され、レンズ端縁場の補正のための電場設定の見直しが必要であった。
相補的に使用する3D-APについては当初の計画ではポッケルスセルによるレーザーのパルスピッカーを導入する予定であったが、価格が大幅に値上げされ、今回の予算を大幅に超過することとなった。代替品を検討したが、やはり価格の面から導入不可能と判断し、他の手段で研究目標を達成することを検討した。その結果、位置情報を確保するために FIM-Pos-APにデフレクタを導入することで解決することとした。この場合、比較的に小規模の投資によって位置情報を画像として担保できると期待される。
以上のように装置手法面での問題発生とその解決に時間がかかり、分析試料の検討が遅れている。
研究の進捗にかかわる外的な要因として、2020年度にウイルス感染症による学校の閉鎖、遠隔方式での授業対応、学生のケアなどの課題が生じたため、研究室での実活動時間が十分に確保できなかったことが最大の原因である。学生の入構ができなくなったことにより、研究補助の人力が不足したことも大きい。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究での主要な装置である FIM-Pos-APについては、2020年度に トロイダル静電レンズの特性向上のための対策、ToF-質量分析計のTDC製作と計測システムの更新、デフレクタ導入によるFIM観察領域とAP測定領域を一致させての分析、など課題が絞り込まれ、それぞれの課題に解決の目処がついている。トロイダル静電レンズの特性については従来軽視されていた端縁場の補正が特性に大きく影響していることが確認され、その補正方法も見出されている。システム実装、改善のための高圧電源、電極駆動回路なども手配ができたので、今年度前半に装置に組み込んでいく予定である。FIM-Pos-APにデフレクタを組込むことで実分析領域のFIM像を電界蒸発の前後で比較できることが見込まれ、APによるイオン種同定とその脱離前後の相対位置を真の意味で決定できることは従来の研究になかった特色であり、FIM像自体の位置分解能は3D-APによるものよりも精度が高いので、研究目標の達成には好適であると考える。
分析試料の検討については研究分担者との検討により、ペプチド誘導体、アミノ酸オリゴマーを候補として準備を進めている。ペプチド誘導体についてはホスフィン基など大きな官能基を持つものを準備しており、ラセミ混合物の試料はもちろんのこと、Ｒ体、Ｓ体への光学分割により光学異性を持つ試料がどのような表面構造を形成するかを含めて実験を進める。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
導入を予定していたパルスピッカーについて大幅な値上げ(当初見込額 150万円から250万円に値上げ)により購入を見合わせることとなった。この機材は物品費から支払いの予定であったが、これが購入不可能となったために予算の使用をいったん見合せた。
FIM-APにおいて質量分析する領域は像観察スクリーンの上のイオン取り込み口に相当する領域であり、表面構造を観察する領域はその周辺部である。そのため厳密な意味では表面上のそれぞれ違う部位である。本研究ではこのズレを補う目的で3D-APを併用しギャップを埋める計画であったが、3D-APのために予定していたパルスピッカーが導入できないこととなった。
これに代わる手段を検討した結果、主たる装置の電子光学系に偏向電場電極を組込み、AP分析のトリガーと連動させることで解決できると考えた。現在の高感度、高速なCCDあるいはCMOSカメラであれば、その画像をAP分析での電界蒸発のトリガーと連動させて取り込むことが可能である。上記の目的で2021年度は高感度デジタルカメラと制御用ＰＣを導入し、FIM像の偏向駆動機構とFIM画像取り込みをAP分析に連動させたシステムを構築する。我々のグループではAP分析の制御ソフトもすべて自製なので、システムの拡張にあたり障害はない。また、この計画の見直しにより、単品で50万円以上の物品の購入は不要である。
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