用於maldi的雷射聚焦和斑點成像的組合裝置的製作方法
2023-10-04 23:40:19
專利名稱:用於maldi的雷射聚焦和斑點成像的組合裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學和光譜系統，更尤其但並不限於地涉及一種用於基質輔助雷射解吸電離(MALDI)的雷射聚焦和斑點成像的組合裝置和方法。
背景技術：
已經證實了，諸如基質輔助雷射解吸電離的基質輔助電離方法在有機和生物化合物的光譜分析方面是有效的。在MALDI技術中，樣品和與該樣品共同結晶的有機基質相結合，然後被沉積在樣品板上。樣品板可包含大量的這種樣品，其中每個樣品佔有該板表面上的一小塊區域。將樣品板放置在MALDI離子源中，在該離子源中，對準樣品的雷射束汽化基質，並電離該樣品內分析化合物。
在MALDI系統中，雷射束聚焦在包含有所關心的特殊樣品的樣品板上的特定目標區域。設置成像設備來觀察目標區域和雷射束的軌跡，定位所關心的樣品並確保其位於該目標區域內，確認該雷射束準確地對準以便碰撞目標區域內的樣品，並且也為了觀察雷射束和樣品基質之間的相互作用。
在常規的MALDI源中，用於汽化樣品的雷射束和從該樣品反射出並被成像設備捕獲的光輻射(通常是可見光輻射)沿著分開的光學路徑。特別地，通常引導雷射束沿著與其它光學路徑分開的專用的光學路徑，該雷射束可包含紫外輻射。由於這些光學路徑的分離，可能難以避免利用成像設備觀察的樣品板表面上的區域與被雷射束碰撞的目標區域不相配的未對準誤差，結果導致難以確定雷射束是否對準目標區域內所關心的樣品。
此外，通過允許較小目標區域和樣品的觀察和電離可以提高這種系統的解析度的光學設備，例如提供聚焦和放大的功能強的光學透鏡，在雷射和可見光的路徑在其中是分開的MALDI系統中的使用是特別麻煩的，因為這種設備在任一光學路徑(或兩個光學路徑)中的使用可能會加劇路徑的未對準，或者需要昂貴和重複的機械裝置來重新調整路徑。由於增加的光學解析度可提高MADLI源的處理量和效率，因此，需要這種未對準問題在其中不可能發生或可能發生在更加有限的範圍內的MALDI系統或方法，以便使光學設備的使用能夠促進改進的樣品利用率和處理量。
發明內容一方面，本發明提供一種離子源，該離子源包括接收樣品的樣品板，產生雷射輻射來電離該樣品的雷射器，布置成引導該雷射輻射沿著朝向目標區域的第一光學路徑的第一光學元件，以及布置成沿著該第一光學路徑聚焦該雷射輻射到該目標區域上的第二光學元件。該第一和第二光學元件被這樣布置，以使得該目標區域反射的光沿著該第一光學路徑傳播通過該第一和第二光學元件，該第一光學元件沿著第一方向反射該雷射輻射並傳輸該目標區域反射的在第二方向穿過該第一光學路徑的光。可以布置用於觀察板表面的成像設備來接收已經被該目標區域反射並且已經在第二方向穿過該第一和第二光學元件之間的該第一光學路徑的光。
在一個實施例中，離子源可進一步包括布置在該第一和第二光學元件之間的該第一光學路徑中的第三光學元件。該第三光學元件被布置成將導入第一方向的雷射輻射朝向第二光學元件反射並在第二方向引導被反射的光朝向第一光學元件。
另一方面，本發明提供一種用於基質輔助雷射解吸電離的方法，包括引導紫外(UV)雷射輻射沿著第一光學路逕到目標區域以電離該目標區域內的樣品，並捕獲該目標區域反射的穿過第一光學路徑的光輻射。
本發明中也包括一種質譜儀，其中使用了用於基質輔助雷射解吸電離的離子源和方法。
圖1是根據本發明實施例的MALDI離子源的示範性實施例的示意圖。
圖2是根據本發明的MALDI離子源的另一個示範性實施例的示意圖。
圖3是根據本發明的示範性的質譜儀系統示意圖示。
具體實施方式首先，需要注意的是，這裡所涉及的單數項目包括存在多於一個同樣的項目的可能性。更特別地，如這裡和附加的權利要求
中所使用的，單數形式的「一」、「所述」和「該」包括多個對象，除非上下文中有其它明確的指示。
圖1示出了根據本發明的MALDI離子源的第一實施例的示意圖。離子源10包括可移動的樣品板15，該樣品板15具有包含多於一個在空間上不同的的基於基質的分析樣品的表面，照明設備20，該照明設備20被定位成投射與該樣品板表面上的區域接觸的光束，以及雷射源30，該雷射源30產生被引導到該樣品板表上的目標區域上的高強度相干輻射的光束。離子源10還包括成像由照明設備照明的該樣品板上的區域或該區域的一部分的成像設備40。這些元件被彼此相對設置和相對於其它的光學元件(將在下文中描述)設置，以使得碰撞樣品板的目標區域的雷射輻射和被樣品板反射(或發出)並在此後被成像設備捕獲的光部分地共用相同的光學路徑。需要注意的是，所有上述元件並不是必定(並且通常不是)被包含在封閉的空間或室內。例如，成像設備和雷射源兩者都可以被定位在包含樣品板的室的外部。
再次參考圖1，照明設備20鄰近樣品板15定位並與其相隔一定距離。照明設備20可用來直接照明樣品板15，或者可將諸如光纖22和/或透鏡元件24的光學元件鄰近該照明設備定位在該照明設備和樣品板之間以便在該照明設備發出的光(下文中，稱為「照明輻射」)到達樣品板的表面之前提高其方向性和/或聚焦。也可可選地包括濾光片28，該濾光片28直接鄰近照明設備20以過濾和/或偏振照明輻射。在一個實施例中，照明源和與其相關的光可以省略，並且利用環境光照明目標區域。
在優選的實施方式中，如共同待決和共同轉讓的美國專利申請序號為11/148,786、名稱為「離子源樣品板照明系統(Ion Source Sample PlateIllumination System)」中所描述的，布置照明設備20以使得照明輻射以0和15度之間的掠射角接觸樣品板表面。然而，需要強調的是這種構造只是優選的實施方式並且其並不應被看作是以任何方式限定本發明的範圍。
可定位雷射源30以使得當照明是來自定向源時，以相對於照明輻射方向的角度來引導雷射束。在描述的實施例中，雷射束近似地與照明輻射垂直，但是，這僅是代表一種實施方式並且其也並不被看作是限定本發明的範圍。雷射源30產生強度和頻率適於樣品基質的汽化和隨後的分析物分子電離的相干輻射。在很多光譜應用中，發現紫外輻射具有用於基質輔助解吸和電離目的的適合的光子能量。
雷射束在基質上的碰撞導致汽化的離子以被存在於離子源10中的氣體流和/或靜電力吸引的煙柱的形式流動離開樣品板到毛細管60。離子和任何曳出氣體被壓力梯度吸引通過毛細管並朝向質譜儀(未示出)。
第一光學元件32定位在雷射源30和樣品板15之間的從該雷射源發出的光束的初始路徑中。第一光學元件32是半反射的並可包括分束器反射鏡，該分束器反射鏡可反射處於紫外波段內的大部分入射輻射並且也能夠透射可見波段內的大部分入射輻射。合適的分束鏡在光學領域是公知的。透鏡元件34可鄰近定位在該雷射源的前面以調節雷射束沿著其初始路徑朝向第一光學元件32。第一光學元件32可以在與雷射束的初始路徑成30到60度範圍內的角度定向；在優選的實施方式中，該第一光學元件可以與雷射束路徑成大約45度定向以便將入射的雷射束沿近似垂直於其初始路徑的方向反射。反射離開第一光學元件32的雷射束沿著在第一光學元件和樣品板15上的目標區域之間延伸的『第一光學路徑』傳播。反射雷射束沿著第一光學路徑從第一光學元件32到目標區域的方向由此被稱為「第一」方向，並且相反的方向，即反射光輻射沿著該第一光學路徑從目標區域到第一光學元件32的方向被稱為「第二」方向。需要注意的是，雖然圖1示出了雷射束在第一方向傳播和反射光沿著第一光學路徑在第二方向傳播的路徑在空間上略微分離，但是，這僅是為了說明的目的，雷射輻射和光輻射在空間上是重疊的。
取決於本領域技術人員熟知的各種光學因素和參數，第二光學元件38定位在比第一光學元件32更沿著第一方向的光學路徑中，並且可被鄰近樣品板定位。特別地，「工作距離」可以是大約20mm或更大，所述「工作距離」是第二光學元件38和樣品板上的目標區域之間的距離。第二光學元件38是折射的並且包括相對於雷射輻射是有效的一個或更多個透鏡元件，即如果雷射包括紫外輻射，則是一個或更多個紫外透鏡。第二光學元件38可具有高的聚焦和放大能力並可用來聚焦雷射朝向樣品板上(或下面)的小目標區域以電離目標區域內已選擇的樣品。通過第二光學元件的聚焦能力，雷射束的目標區域可以減小至25微米的區域，這可以顯著地提高樣品解析度。
在描述的實施例中，定位在第一光學元件32和第二光學元件38之間的第三反射光學元件36反射並重新定向入射輻射。優選地，第三反射元件36在反射可見和紫外波段內的光輻射方面都是有效的。第三光學元件36考慮到如圖1中說明和描述的樣品板15、照明源20、雷射源30和成像設備的配置的適宜的間隔。
沿著第一光學路徑在第二方向從目標區域傳播的光輻射被反射離開第三光學元件36而朝向第一光學元件32。大部分光輻射透過第一光學元件32而朝向成像設備40。例如可包括紫外阻擋濾光片和/或偏振濾光片的濾光元件42和光學透鏡元件44可被定位在第一光學元件32和成像設備40之間。濾光元件42可以阻擋紫外輻射和/或提高從第一光學路徑透過第一光學元件32的光輻射的偏振，除去能干擾成像的外部輻射。光學透鏡元件44聚焦透射的光輻射朝向成像設備40的光探測元件。
儘管諸如電荷耦合器(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)照相機的提供數字輸出的照相機最易於使用，但是，成像設備40可包括例如包括照相機的任何響應光輻射的探測設備。該成像設備可以耦合到離子源外部的用於觀察目的的監視器(如圖3中所示)。
在一個實施例中，沿著第一光學路徑在第二方向傳播的光輻射可包括從目標區域響應雷射激發而發出的螢光輻射，並且也可以選擇光學元件42、44和成像設備40以用於這種現象的最佳傳輸、探測和觀察。
在操作方面，雷射源30產生的雷射束被透鏡元件34聚焦，然後被第一光學元件32反射，該第一光學元件32在第一方向沿著第一光學路徑以一角度重新定向該雷射束。沿著第一光學路徑，該雷射束被第三光學元件以一角度反射向樣品板15上的目標區域。沿著到達目標區域的路徑，該雷射束穿過第二光學元件38並在其中被聚焦，這將在該雷射束碰撞該目標區域之前，縮小該雷射束的直徑並最終增加該光束的強度。
雷射束的碰撞解吸並汽化了包含在目標區域內的大部分基質和分析物。一些基質分子也被該雷射束電離；基質離子然後通過電荷轉移過程電離分析物分子。汽化的粒子以煙柱的形式釋放，然後煙柱內的離子被靜電地引導和/或通過氣流朝向毛細管60的入口，該毛細管60傳送離子到包括質量分析儀的質譜儀的下遊級。此外，如果基質包括螢光化合物，則雷射束可以激發這種化合物並且這種化合物可以響應雷射激發而發射螢光輻射。
同時，以照明包括目標區域的樣品板表面上的區域為目的，引導來自照明源的照明輻射到樣品板15的上面。照明的最重要的應用是定位目標區域中的樣品晶體；然而，照明也允許通過監視器實時捕獲和記錄或觀察雷射束在樣品上的碰撞。如上所述，可通過光學元件22，24，28過濾、引導和聚焦照明輻射以增加樣品板15的表面的小區域上的聚焦和照明強度。
照明輻射在目標區域或其附近從樣品板15的表面反射、衍射和/或散射，並且這種反射光輻射的一部分沿著第一光學路徑在第二方向傳播。沿著第一光學路徑，該光輻射被第二光學元件38聚焦，然後被第三光學元件36反射到第一光學元件。光輻射的大部分透過第一光學元件32而朝向成像設備40。光輻射在到達成像設備40之前被相應的光學元件42，44再次過濾和聚焦。
根據這一方法，只要照明輻射包圍雷射束在其中碰撞樣品板的區域，成像設備就能捕獲目標區域的圖，因為成像設備捕獲的光輻射和雷射束沿著相同的光學路徑傳播並被相同的折射光學元件，即該路徑內的第二光學元件38改變。相反地，只要成像設備「觀察」目標區域內所關心的樣品，雷射束就將被引導到該樣品上。例如，如果第三光學元件36的角度被意外地改變，由於雷射束反射離開該元件，這種改變將改變雷射束的軌跡，以致於雷射束的目標區域將改變。然而同樣地，由於「新」目標區域反射的光輻射從樣品板的表面向第三光學元件36傳播，所以「新」目標區域反射的任何光輻射將具有與雷射束相同的角度軌跡，然後將被改變了的第三光學元件反射回第一光學元件32和成像設備40。因此，由於雷射束和光輻射沿著相同的第一光學路徑傳播，共享該路徑內相同的光學器件，並自動地彼此對應，所以本發明的MALDI源系統是自動修正的。
圖2示出了本發明的可替換的實施例，其中沒有使用第三光學元件。在這種情況下，第一光學元件32相對於雷射束大約45度定向，以致於直接向樣品板15的表面反射雷射束。因此，在這種情況下的第一光學路徑是從第一光學元件通過第二光學元件到樣品板表面的路徑，並且第一和第二光學元件之間沒有插入的反射元件。同樣，來源於樣品板15的目標區域的反射、散射、衍射或發射的光輻射在反方向通過第二光學元件38直接傳播到第一光學元件32。在該實施例中，成像設備40的放置不同於第一實施例，並且其相對於其在第一實施例中的位置以順時針方向在20和70度(基於第一光學元件32的角度)之間的範圍內旋轉以捕獲透過第一光學元件的光輻射。
本發明的系統和方法提供許多用於執行MALDI的便利和優點。如上所述，由於離子源包含一個連接第一光學元件和目標區域的主要光學路徑，所以可以更加容易地避免未對準誤差。這消除了觀察視差。這對於準確地引導雷射到目標區域上是重要的。
此外，第二光學元件中的一個或多個高放大率的紫外透鏡的使用能夠獲得更高的光學解析度以及20mm或更大的便利工作距離。利用這種透鏡元件可聚焦雷射束到可以選擇樣品的子部分乃至位於樣品目標區域的表面下面的某一深度的部分的程度。例如，這可在需要『轟擊』嵌入液晶基質內的晶體結構時發生。高放大率透鏡同樣允許樣品的深度和厚度的非常精確的測量，以及與利用目前發展水平的x/y工作檯運動控制可得到的樣品板的運動精度可比的尺寸測量精度。由於這些技術優點，每個樣品板的目標區域的數目可以增加多於十倍。例如，通常用在MALDI離子源中的樣品板具有96個樣品區域；本發明改進的雷射和圖像聚焦使得能夠在樣品板上沉積並準確地瞄準多達1536個用於電離和成像的樣品區域。
圖3示意性示出了使用了上面相對於圖1描述的MALDI離子源的質譜儀系統。質譜儀100包括離子源10和包含離子探測器92的質量分析儀90，離子源10和質量分析儀90通過一個或更多個中間室80(圖中以單個室表示)連接，中間室80可包括一個或更多個真空臺(vacuum stage)和離子導入82。可將外部監視器70耦合到離子源內的用於觀察目的的成像元件。然而，需要再次注意的是，圖3中包圍的離子源內描述的幾個元件也可以在外部定位，例如成像設備、照明設備和雷射源。
控制系統110可耦合到離子源10，並且特別地被耦合成接收來自成像設備的輸入並傳輸輸出控制信號到離子源內的樣品板15。該控制系統可以具有存儲的用於圖像識別和自動的目標獲取的算法，所以其能夠從成像設備捕獲的圖像信息中識別樣品板上的目標區域是否包括所關心的樣品，然後能夠(取決於接收的輸入)傳輸信號以利用工作檯運動控制在其平面內在x和y方向調整樣品板的位置以使得可以定位目標區域內所關心的樣品晶體。
質譜儀100的質量分析儀90可包括四級，三重四級，線性離子阱，三維離子阱，飛行時間，軌道阱(orbitrap)，FT-ICT(傅立葉變換離子迴旋共振)或其它本領域熟知的質量-電荷(mass-to-charge)分析儀。
使用中，如果MALDI離子源被用在大氣壓中，初始的中間室80可被維持在低於大氣壓的大約兩個數量級的壓力，而此外的中間室被維持在依次較低的壓力。質量分析儀90通常被維持在低於中間室的大約兩到四個數量級的壓力。離子源10中產生的離子進入毛細管並被掃入中間室80，在那裡受到利用離子引導82的處理，然後被傳送到質量分析儀90並在那裡被探測。質量分析儀90確定離子的質荷比，該質荷比隨後可被用於導出關於已經產生了離子的該樣品的其它信息。
雖然已經關於具體實施例描述了本發明，但是需要理解的是由於進一步的改進和變化對本領域技術人員來說是顯而易見，所以這種描述並不打算用於限制。本發明打算覆蓋所有這些落入附加權利要求
的範圍內的改進和變化。
權利要求
1.一種離子源，包括接收樣品的樣品板；產生雷射輻射以電離所述樣品的雷射器；第一光學元件，所述第一光學元件被布置成引導所述雷射輻射沿著第一光學路徑朝向所述樣品板上的目標區域；以及第二光學元件，所述第二光學元件被布置成沿著所述第一光學路徑聚焦所述雷射輻射到所述目標區域上；其中，所述第一和第二光學元件被布置成這樣以使得從所述目標區域反射的光沿著所述第一光學路徑傳播通過所述第一和第二光學元件，所述第一光學元件沿著第一方向反射所述雷射輻射並傳輸從所述目標區域反射的在第二方向穿過所述第一光學路徑的光。
2.根據權利要求
1所述的離子源，還包括觀察所述板表面的成像設備，該成像設備被布置成接收已經被從所述目標區域反射，並且已經在所述第二方向穿過所述第一和第二光學元件之間的所述第一光學路徑的光。
3.根據權利要求
1所述的離子源，其中，所述第一方向和所述第二方向垂直。
4.根據權利要求
2所述的離子源，還包括布置在所述第一和第二光學元件之間的所述第一光學路徑中的第三光學元件，所述第三光學元件被布置成引導所述第一和第二光學元件之間的雷射輻射並引導來自所述第二光學元件的反射光到所述第一光學元件。
5.根據權利要求
4所述的離子源，其中，所述雷射包括紫外(UV)輻射，而所述第三光學元件包括紫外(UV)反射鏡。
6.根據權利要求
4所述的離子源，其中，所述第一光學元件包括分束器反射鏡。
7.根據權利要求
4所述的離子源，其中，所述雷射輻射包括紫外輻射，而所述第二光學元件包括紫外(UV)透鏡。
8.根據權利要求
4所述的離子源，還包括布置在所述第一光學元件和所述成像設備之間的光學濾光元件。
9.根據權利要求
8所述的離子源，其中，所述光學濾光元件包括偏振濾光片。
10.根據權利要求
8所述的離子源，其中，所述光學濾光元件包括紫外(UV)阻擋濾光片。
11.根據權利要求
4所述的離子源，還包括鄰近所述雷射器布置以聚焦雷射輻射的透鏡元件。
12.根據權利要求
4所述的離子源，還包括鄰近所述成像設備布置的透鏡元件。
13.根據權利要求
1所述的離子源，還包括產生在目標區域接觸所述樣品板表面的光束的照明設備。
14.根據權利要求
13所述的離子源，其中，所述照明設備包括連接到光源的光纖光導。
15.根據權利要求
14所述的離子源，還包括布置在所述光纖和所述樣品板之間的用於聚焦所述光束到所述目標區域的透鏡元件。
16.根據權利要求
13所述的離子源，其中，所述照明裝置相對於所述樣品板布置以使得其限定所述光束和所述樣品板的照明表面之間的掠射角，所述掠射角在0和15度之間。
17.一種質譜儀系統，包括a)離子源，包括接收樣品的樣品板；產生雷射輻射以電離樣品的雷射器；第一光學元件，所述第一光學元件被布置成引導所述雷射輻射沿著第一光學路徑朝向目標區域；以及第二光學元件，所述第二光學元件被布置成沿著所述第一光學路徑聚焦所述雷射輻射到所述目標區域上；其中，所述第一和第二光學元件被布置成這樣以使得從所述目標區域反射的光沿著所述第一光學路徑傳播通過所述第一和第二光學元件，所述第一光學元件沿著第一方向反射所述雷射輻射並傳輸從所述目標區域反射的在第二方向穿過所述第一光學路徑的光；b)耦合到所述離子源的質譜儀。
18.根據權利要求
17所述的質譜儀，其中，所述離子源還包括觀察所述板表面的成像設備，所述成像設備被布置成接收已經被所述目標區域反射並且已經在第二方向穿過所述第一和第二光學元件之間的所述第一光學路徑的光。
19.根據權利要求
18所述的質譜儀，其中，所述離子源還包括布置在所述第一和第二光學元件之間的所述第一光學路徑中的第三光學元件，所述第三光學元件被布置成引導所述第一和第二光學元件之間的雷射輻射並引導來自所述第二光學元件的反射光到所述第一光學元件。
20.根據權利要求
17所述的質譜儀，其中，所述第一光學元件包括分束器反射鏡。
21.根據權利要求
17所述的質譜儀，其中，所述雷射輻射包括紫外輻射，而所述第二光學元件包括紫外(UV)透鏡。
22.根據權利要求
17所述的質譜儀，其中，所述離子源在大氣壓力下操作。
23.一種基質輔助雷射解吸電離方法，包括引導紫外(UV)輻射沿著第一光學路逕到樣品板上的所述目標區域，所述紫外輻射包括電離所述目標區域內的樣品的雷射輻射；以及捕獲從所述目標區域反射的穿過第一光學路徑的光輻射。
24.根據權利要求
23所述的方法，還包括照明樣品板表面上的目標區域。
25.根據權利要求
23所述的方法，還包括在所述一光學路徑的第一末端從所述紫外輻射中分離出反射光輻射；其中，所述反射光輻射和所述紫外輻射在相反的方向沿著所述第一光學路徑傳播。
26.根據權利要求
23所述的方法，還包括聚焦穿過所述第一光學路徑的所述紫外輻射到所述樣品板的目標區域上。
27.根據權利要求
26所述的方法，還包括利用布置在所述第一光學路徑中的紫外(UV)透鏡執行所述聚焦。
28.根據權利要求
26所述的方法，還包括在所述樣品板表面下面的目標區域聚焦所述紫外輻射。
29.根據權利要求
23所述的方法，還包括利用所述捕獲的光輻射產生所述目標區域的圖像。
專利摘要
一種MALDI離子源，包括接收樣品的樣品板，產生雷射輻射以電離該樣品的雷射器，第一光學元件，該第一光學元件被布置成引導該雷射輻射沿著第一光學路徑朝向目標區域，以及第二光學元件，該第二光學元件被布置成沿著該第一光學路徑以聚焦該雷射輻射到該目標區域上。該第一和第二光學元件被布置成這樣以使得該目標區域反射的光沿著該第一光學路徑傳播通過該第一和第二光學元件，該第一光學元件沿著第一方向反射該雷射輻射並傳輸該目標區域反射的在第二方向穿過該第一光學路徑的光。一種觀察該板表面的成像設備可被布置成接收已經被該目標區域反射並且已經通過該第一和第二光學元件穿過該第一光學路徑的光。
文檔編號H01J49/26GK1992143SQ200610164631
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月3日
發明者格雷戈·歐瓦內, 瓊-魯克·圖克 申請人:安捷倫科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan