TOF-​MS​の​ため​の​高速​データストリーミング・​解析​システム

馬上 謙一 氏, 北海道​大学​大学院 理学​研究院 自然​史​科学​部門 地球​惑星​システム​科学​分野 博士​研究員

"同位​体​イメージング​の​高速​化​を​実現​した​PXI​システム​を​紹介​してき​た。​この​システム​の​最大​の​利点​は“リアルタイム”に、​様々​な​データ​処理​が​行える​ことに​あり、​これにより分析時間の大幅な短縮が可能になった。"

- 馬上 謙一 氏, 北海道​大学​大学院 理学​研究院 自然​史​科学​部門 地球​惑星​システム​科学​分野 博士​研究員

課題:

データ​集録​周期​の​向上​と​データ​保存​の​高速​化​の​実現 LIMAS​開発​の​目的​は​微小​領域​(数​μm​四方)​を​空間​分解能​100 nm​以下​で​の​同位​体​イメージング​を​行う​こと​で​ある。​空間​分解能​を​高め、​より​正確​な​イメージ​を​取得​する​ため​に​課題​と​なる​の​が​イメージ​の​経時​的​な​ずれ​で​ある。​イメージ​の​ずれ​の​要因​は​主に​イオンプローブ​照射​位置​の​経時​的​な​変動​と​サンプル​ステージ​の​ドリフト​で​ある。​分析​システム​全体​として​サブ​ミクロン​の​精度​で​位置​を​長時間​保持​する​こと​は​非常​に​難しい​ため、​イオンプローブ​の​走査​は​できる​限り​高速​に​行​わな​け​れ​ば​なら​ない。

ソリューション:

新た​な​イオン​検出​システム​の​構築​にあたり、​帯域​が​大​きく、​サンプリング​レート​が​高​く、​そして​PC​へ​の​転送​速度​が​速い​デジザイザ​が​不可欠​で​あっ​た。​NI PXIe-5185(以下​5185)​は​我々​の​要求​スペック​を​満​た​し​てい​た​ので、​これ​を​採用​した。​一度​の​質量​スキャン​で​必要​な​時間​は​15 μs​程度​で​あり、​LIMAS​の​繰り返し​周波数​は​1 kHz​なので​5185​を​用​い​れ​ば​すべて​の​サンプル​レート​で​リアルタイム​集録​が​可能​で​ある。

【背景】

二次​イオン​質量​分析​法​は​高い​空間​分解能​を​持ち、​多​元素​を​高​感度​に​定量​する​こと​が​可能​で​ある​ため、​微小​領域​の​同位​体​分析​において​重用​さ​れ​て​いる。​微小領域の分析結果を二次元的に繋ぎ合わせれば、​それ​は​同位​体​の​強度​分布​で​描​か​れ​た​同位​体​イメージ​に​なり、​二次​イオン​質量​分析​装置​は​同位​体​を​見る​ため​の​顕微鏡​で​ある​と​言う​こと​が​できる。​また、​飛行​時間​型​質量​分析​法​(Time of flight mass spectrometry: TOF-​MS)​は、​幅広い​質量​範囲​の​マス​スペクトル​を​1​回​の​スペクトル​取得​イベント​(質量​スキャン)​で​取得​でき、​多​元素​(同位​体)​同時​分析​が​可能​な​分析​法​で​ある。​さらに、​飛行​距離​を​伸ばす​と​質量​分解能​が​高まる​という​性質​も​持つ。

 

我々​が​開発​し​て​いる​LIMAS(Laser Ionization MAss nanoScope: LIMAS)​は、​高​感度・​高​空間​分解能・​高​質量​分解能​を​目指​し、​一次​イオン​ビーム​(Focused ion beam: FIB)​により​生成​した​二次​中性​粒子​を​フェムト​秒​レーザー​(Integra-​C. USP, Quantronix; 繰り返し​周波数: 1 kHz)​により​多​光子​吸収​イオン化​(ポスト​イオン化)​する​質量​分析​装置​で​ある​(図​1)。

 

LIMAS​の​質量​分離​部​は​MULTUM II​と​呼ばれる​多重​周回​型​質量​分析計​で​あり、​世界​最高​レベル​の​質量​分解能​を​誇る。

 

磁場​型​質量​分析計​の​よう​な​連続​イオン化・​イオン​検出​の​方式​と​対照​的​に、​TOF-​MS​は​検出​する​イオン​が​m/​z​に従って​1​つ​の​パケット​として​検出​器​に​到達​する​ため、​イオン​検出​の​時間​スケール​が​ナノ​秒​程度​と​短​く​なる。​よって、​マス​スペクトル​を​得る​ため​の​デジタイザ​に​は​帯域​は​GHz​以上、​サンプル​レート​は​1 GS/​s​以上​の​仕様​が​要求​さ​れる。​この​よう​な​仕様​で​15​マイクロ​秒​(μs)​程度​の​質量​スキャン​を​行う​こと​で、​ひとつ​の​マス​スペクトル​を​取得​する​こと​が​可能​と​なる。  さらに、​集録​データ​の​解析・​保存・​モニタリング​を​リアルタイム​に​行う​ため​に​は​プロセッサ​(PC)​の​処理​速度​に​加​え​デジタイザ​-​PC​間​で​の​高速​データ​転送​が​不可欠​と​なる。

 


​【課題】:​データ​集録​周期​の​向上​と​データ​保存​の​高速​化​の​実現


​LIMAS​開発​の​目的​は​微小​領域​(数​μm​四方)​を​空間​分解能​100 nm​以下​で​の​同位​体​イメージング​を​行う​こと​で​ある。​空間​分解能​を​高め、​より​正確​な​イメージ​を​取得​する​ため​に​課題​と​なる​の​が​イメージ​の​経時​的​な​ずれ​で​ある。​イメージ​の​ずれ​の​要因​は​主に​イオンプローブ​照射​位置​の​経時​的​な​変動​と​サンプル​ステージ​の​ドリフト​で​ある。​分析​システム​全体​として​サブ​ミクロン​の​精度​で​位置​を​長時間​保持​する​こと​は​非常​に​難しい​ため、​イオンプローブ​の​走査​は​できる​限り​高速​に​行​わな​け​れ​ば​なら​ない。

これらの​経時​変化​による​イメージ​の​ずれ​を​最小限​に​抑える​に​は、​1) イオンプローブ​を​高速​に​スキャン​し、​2) データ​を​リアルタイム​に​集録​し、​3) データ​解析​し​易い​形式​に​変換​し、​4) 保存​する​必要​が​ある。

具体​的​に​は​2ch​を​使用​し​て、​5 GS/​s​の​サンプリング​レート​で​15 μs​の​集録​(質量​スキャン)​を​1 kHz​周期​で​繰り返し​行い、​集録​した​すべて​の​データ​を​保存​する​こと​で​ある。​要求​さ​れる​データ​転送・​保存​速度​は​2ch × 75 kS/​s × 1 kHz = 150 MB/​s​と​なる

この​仕様​を​満たす​計測​システム​は​市販​品​として​は​ほとんど​発表​さ​れ​てい​ない。​また、​この​分析​システム​は​開発​途上​で​あり、​様々​な​アプリケーション​へ​の​応用​が​考え​ら​れ​て​いる。​そのため​冗長​性​の​高い​ソフトウェア​の​開発​環境​も​必要​で​あっ​た。

これまで​は​質量​スペクトル​を​LeCroy​デジタイザ​(WaveRunner 104MXi)​で​集録​し、​筐​体​の​中​で​信号​処理​を​行い、​イーサネット​経由​で​データ​転送​を​行​って​い​た。​しかし、​トリガ​周期​が​短​く​なる​と​トリガ​の​取り​こ​ぼ​し​が​発生​する​ため、​データ​集録​周期​が​100 Hz​以下でしか行えず、​データ​転送​も​計測​ごと​に​数百​ミリ​秒​か​かって​い​た。​よって、​次システムの構築の際の最重要点は既存システムの問題点であった繰り返し周期の向上と高速データ保存の実現となった。


​【ソリューション】
​システム​構成

新た​な​イオン​検出​システム​の​構築​にあたり、​帯域​が​大​きく、​サンプリング​レート​が​高​く、​そして​PC​へ​の​転送​速度​が​速い​デジザイザ​が​不可欠​で​あっ​た。​NI PXIe-5185(以下​5185)​は​我々​の​要求​スペック​を​満​た​し​てい​た​ので、​これ​を​採用​した。​一度​の​質量​スキャン​で​必要​な​時間​は​15 μs​程度​で​あり、​LIMAS​の​繰り返し​周波数​は​1 kHz​なので​5185​を​用​い​れ​ば​すべて​の​サンプル​レート​で​リアルタイム​集録​が​可能​で​ある。​ただし、​現在​の​イオン​検出​系​(入力​パルス​の​半​値幅​が​~3 ns)​の​応答​速度​に対し​適当​な​3.125 GS/​s​を​用​い​て​いる​(5185​の​最大​サンプリング​レート​は​12.5 GS/​s)。​また、​イメージング​を​行う​ため​に​は​FIB​の​デフレ​ク​ター​を​制御​し、​イオンプローブ​を​走査​する​必要​が​ある。​デフレ​ク​ター​の​電圧​制御​は​NI PXIe-6361(6361)​を用いて行った。​本​システム​の​構成​図​を​図​1​に​示す。​波形​データ​は​2​種類​の​形式​で​保存​する​ことに​した。​一つ​は​8-​bit​で​集録​さ​れる​アナログ​波形​の​データ​から​明らか​な​ノイズ​成分​を​足​切り​し、​平均​化​した​もの​で​ある。​もう​一つ​は​入力​イオン​の​パルス​を​数える​こと​で​出力​に​変換​する、​いわゆる​イオン​カウ​ン​ティン​グ​という​手法​で​ある。​この​方法​は​入力​イオン​強度​が​上がる​と​2​つ​同時に​イオン​が​入​って​来​て​しまう​こと​が​多く​なり、​数​え​落とし​が​起​こ​り、​信号​の​定量​が​でき​なくなる。​しかしながら、​数​え​落とし​が​起​こら​ない​範囲​内​では​入力​パルス​の​パルス​高​に​依存​しない​ため、​アナログ​波形​に​比べ​データ​の​確度​が​高い。​これら​二つ​の​信号​を​相補​的​に​処理・​解析​を​行う​こと​で​より​定量​的​で​確度​の​高い​情報​を​得る​こと​が​できる​よう​に​なる。

制御ソフトウェアはデータ保存機能を最優先させ、​データ​保存​が​リアルタイム​で​行える​範囲​内​で​データ​解析​(アナログ​信号​の​平均​化​及び​イオンカウンティング)​や​モニタリング​を​行う​よう​に​した。​ユーザー​インター​フェイス​は​5185、​6361​の​パラメータ​を​様々​に​変更​し、​目的​の​分析​に​最適​化​する​こと​が​できる。​取得​した​データ​は​TDMS​ファイル​の​形式​で、​これ​を​自作​の​解析​プログラム​で​処理​する​こと​で​同位​体​イメージ​を​取得​する​こと​が​できる。

 

分配​さ​れ​た​信号​は​それぞれ​5185​に​取り込む。​取り​込​まれ​た​波形​は​PC(8133)​に​DMA​転送され、​解析​と​保存​を​行う。​データ​は​4​つ​の​HDD(RAID0)​で​構成​さ​れ​た​ストレージ​に​保存​し​て​いる。​5185 2​台​と、​6361​の​同期​は​6361​に​同期​用​の​マスター​トリガ​を​入力​し、​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​を通して​行​って​いる。​また、​イオンプローブ​の​制御​は​6361​に​搭載​する​2​チャンネル​の​アナログ​出力​を​用​い​て​行​って​いる。


​【結果】
​・​集録​周期​が​10​倍​に​高速​化 
​・​データ​分析​速度​が​1/10​に​短縮
​・​集録​中​に​リアルタイム​の​マス​スペクトル​表示​が​可能


​データ​集録・​保存​が​リアルタイム​で​行う​こと​が​できる​よう​に​な​っ​た​ため、​分析​効率​が​飛躍​的​に​向上​した。​特に​イメージング​に関して​は​フェムト​秒​レーザー​の​繰り返し​周波数​で​ある​1 kHz​で​の​サンプリング​が​実現​でき​た​ため、​10​倍​以上​の​高速​化​に​成功​した​(以前​は​100 Hz​以下​で​あっ​た)。​波形​データ​の​集録​と​解析​を​LabVIEW​で​行う​ので、​データタイプ​の​変更​(8-​bit​から​アナログ​平均​化​が​単精度、​イオンカウンティング​が​16-​bit​に​変換​し​て​いる)​が​容易​で​ある。​PC(8133)​内​で​行​って​いる、​オフライン​解析​プログラム​の​GUI​を​図​2​に​示す。​この​プログラム​では​目的​の​同位​体​の​ピーク​を​探​し、​その​ピーク​の​出力​を​計算​し、​ピクセル​ごと​に​強度​を​プロット​する​こと​で​イメージ​化​し​て​いる。

 

機能​として​は、​ファイル​の​読み出し、​指定​した​同位​体​ピーク​の​探索・​検出、​同位​体​ピーク​強度​の​計算、​作成​した​同位​体​イメージ​の​保存​が​可能​で​ある。​また、​同位​体​ピーク​探索​の​ため​の​質量​-​飛行​時間​の​校正​曲線​(3​次​方程式)​の​作成​が​できる。

開発​した​システム​の​評価​を​行う​にあたり​LSI​のプロセスの一部分の同位体イメージングを行った。​得​ら​れ​た​図​を​図​3​に​示す。​この​2​枚​の​イメージ​(b, c)​の​中​の​領域​は、​銅​の​ドット​と​酸化​ケイ素​の​メッシュ​で​構成​さ​れ​て​いる​こと​が​わかる。​この​ときの​一次​イオン​ビーム​の​ビーム​電流​は​300 pA​で、​空間​分解能​は​120 nm​程度​で​あっ​た。​イオンプローブ​を​高速​に​走査​する​こと​が​可能​と​な​っ​た​ため、​イメージの歪みが改善された​(速度​が​遅い​と​画像​は​斜め​に​ひ​ず​んで​見える)。​LIMAS​の​現在​最高​の​空間​分解能​は​10 nm​程​で​ある​ので​より​空間​分解能​の​高い​同位​体​イメージ​を​取得​する​こと​は​可能​で​ある。​しかし、​ビーム​が​小​さく​なる​に従い​一次​イオン​電流​量​が​下がり、​結果​的​に​スパッタ​さ​れる​二次​中性​粒子​の​数​が​少​なくなる​ので、​イオン​イメージ​を​100 nm​以下​で​行う​に​は​装置、​特に​質量​分析計​の​最適​化​が​必要​に​なる。

 

各​図​の​フル​スケール​は​3.2 μm × 2.4 μm​で、​160 × 120 ピクセル​で​ある。​それぞれ​の​イオン​(63Cu​+、 28Si16O​+)​強度​が​強い​点​が​白​く、​弱い​点​が​黒​く​な​って​いる。​b),c)​を​見​て​わかる​よう​に、​Cu​が​存在​する​領域​に​は​SiO​が​なく、​逆に​SiO​が​多い​領域​は​Cu​が​存在​しない。

 

以上、​同位​体​イメージング​の​高速​化​を​実現​した​PXI​システム​を​紹介​してき​た。​この​システム​の​最大​の​利点​は“リアルタイム”に、​様々な データ​処理​が​行える​ことに​あり、​これにより分析時間の大幅な短縮が可能になった。​リアルタイム​性​が​向上​した​背景​に​は、​デジタイザ​-​PC​間​の​データ​転送​と​データ​処理​を​並列​に​処理​できる​プログラム​と​マルチ​コア​の​高速​プロセッサ​が​活躍​し​て​いる​わけ​で​ある​が、​これ​は​PXI​プラットフォーム​の​拡張​性・​選択​性​の​大​き​さ​と​LabVIEW​で​の​並列​処理​プログラミング​に​負う​ところが​大きい​と​言える​だ​ろう。​当初​の​目標​で​あっ​た​微小​領域​の​高速​スキャン​も​達成​し、​今後​は​筆者​の​目的​で​ある​地球​外​物質​の​同位​体​イメージング​を​行う​ため​に​ハードウェア・​ソフトウェア​両面​から​の​更​なる​向上​を​目指​した​い。

 

著者​情報:

馬上 謙一 氏
​北海道​大学​大学院 理学​研究院 自然​史​科学​部門 地球​惑星​システム​科学​分野 博士​研究員

図​1. ​ ​LIMAS(左側)​と​PXI​システム​(右上) ​
図​1. ​ ​システム​構成 ​
図​2. ​ ​イメージ​解析​ソフト​GUI ​
図​3. ​ ​LSI​パターン​(銅​の​ドット)​の​a) 二次​電子​像、​b) 63Cu​+イメージ、​及び​c) 28Si16O​+イメージ ​