産業技術総合研究所(産総研)の研究者などで構成される研究グループは、超伝導ナノストリップイオン検出器を開発したことを発表した。同成果は、産総研 計測フロンティア研究部門 超分光システム開発研究グループの小池正記 研究グループ長、イタリア学術会議サイバネティクス研究所(CNR)のロベルト クリスチャーノ 博士、横浜国立大学(横浜国大)吉川信行 教授らによるもので、詳細は2012年5月20～24日に加バンクーバーで開催される「第60回アメリカ質量分析学会」にて発表される。

ライフサイエンス分野などで使われる分析装置の1つである「飛行時間型質量分析装置」は、原子や分子をイオン化した後に数kVの電圧で加速して、一定距離を飛行させ、イオン検出器で検出し、飛行時間から原子や分子の同定、構造解析などを行うという仕組みだ。十分な質量分解能を得るため、イオン検出器にはナノ秒の高速応答が必要だが、質量が4,000程度を超えると検出感度が低下するため、分析可能な質量範囲が限られていたほか、イオンの電荷数を識別できないため、イオンの質量を直接決定できないといった限界があった。

質量分析装置では、イオンのエネルギーは数keVと低いため、タンパク質などの質量の大きなイオンは検出器表面に付着する程度の弱い衝突しか起こさない。これを検出するために、従来は衝突によって、時折、表面から放出される二次電子を電子増倍管で増幅していた。二次電子は、質量が増すとともに放出されにくくなるため検出感度が低下していた。

一方、超伝導検出器は、イオンが衝突したときに生じる音(フォノン)によって超伝導状態が壊れることを利用する検出器で今回の研究では、超伝導体(ニオブあるいは窒化ニオブ)のストリップ線を厚みが数10nm、線幅が数100nmと小さくし、これらを数mmの領域に直並列に配置したナノ構造を持つ超伝導検出器を開発した。

図1 超伝導ナノストリップイオン検出器の外観(a)と構造の模式図(b)。ナノストリップよる回折のため、虹色が見える。(a)のスケールの目盛は1mm。ニオブあるいは窒化ニオブのストリップ線は、厚み数10nm、線幅数100nm

ナノ構造の超伝導体の優れた特性と、検出器として重要な十分な有感面積を両立させており、約-270℃に冷却することで超伝導状態となる。ストリップ線がナノサイズの線幅にまで細くしてあるため、イオンの衝突によってフォノンが生じるとストリップ線の幅全体で超伝導状態から常伝導状態へと変わり抵抗が生じる。この抵抗によりナノ秒程度の電圧パルスが生成され、イオンを高速で検出することが可能となる。また、フォノンは、どのような質量のイオンの衝突に対してもほぼ同様に発生するため、質量の大きな分子でも高感度で高速検出できるという仕組みだ。

図2 従来のイオン検出と超伝導によるイオン検出の相違。質量分析では質量の大きいイオンは検出器表面に付着する程度の弱い衝突しか起こさない。この場合でも音(フォノン)が発生するため、超伝導が壊れる

図3にホルモンである生体分子「アンギオテンシンI」のイオンが、今回開発した超伝導検出器に衝突したときに観測された電圧パルス波形を示す。パルス幅は1ns以下と高速であるほか、分子量が大きい免疫グロブリンの多量体でも同様にナノ秒パルスが観測され、分子量が600,000の大質量のイオンでも高速検出が可能であることが示された。

図3 生体分子アンギオテンシンIのイオン1個の衝突に対応するナノ秒出力パルス波形(a)と、その出力パルスをデジタル信号に変換する超伝導デジタル回路(SFQ)(b)。SFQ回路は国際超電導産業技術研究センターの微細加工プロセスを用いて作製

また、併せてこの高速パルスを処理するために、単一磁束量子(SFQ)を情報の媒体とした高速の超伝導デジタル回路(SFQ集積回路)を開発。この回路により、イオンが検出器に衝突して発生する高速の電圧パルスをSFQに変換して、質量スペクトルを測定することに成功した。

さらに研究グループは、イオンの電荷数識別は検出器に加える電流バイアス値を変えることにより可能であることを見出した。図4は、酵素であるリゾチームの多量体イオンを測定した例で、電流バイアスが低い場合には、(a)のように単量体から6量体の2価イオンのみが観測される一方、電流バイアスを高くすると、(b)のように単量体から6量体の1価イオンが主に観測された。通常の質量分析では、例えば、m/zが同じになる単量体の1価イオンと2量体の2価イオンを区別できないが、超伝導を使うことで可能となり、同様のオーバーラップは、2量体の1価イオンと4量体の2価イオンなどでも生じる。

図4 酵素であるリゾチームの多量体の分析例。例えば、わずかに生じる2量体の2価イオン(2+2と表記)は、単量体の1価イオン(1+1と表記)とm/zが同じであるため、通常の質量分析では区別できない。今回開発した超伝導検出器を使用すると、強度が弱い2量体の2価イオンのピークを抽出することができる

なお、研究グループでは今後、多様なハイスループット分析を実現するために、検出器の有感面積を拡大、超伝導デジタル回路のデータ処理能力向上を予定している。また、今回開発した超伝導検出器の動作には-270℃の極低温環境が必要だが、液体ヘリウムの供給を必要としない自動冷却システムを構築していることから、2年後をめどに超伝導検出器を搭載した飛行時間型質量分析装置を整備し、先端機器共用イノベーションプラットフォームにて分析依頼を受け付ける予定だとしている。