對質譜法的改進的製作方法

2023-07-23 14:49:56

專利名稱：對質譜法的改進的製作方法
對質譜法的改進本發明涉及質譜法，雖然不排他地，但尤其涉及基質輔助雷射解吸/電離質譜法 (MALDI-MQ，其中雷射束由多模光纖進給機構遞送到目標。基質輔助雷射解吸/電離(MALDI)是用於質譜法(MS)的高度適應性的軟電離技 術。它在二十世紀八十年代後期發展，而MALDI-MS在蛋白組學中已經得到最多的應用，其 多功能性在近年來已經通過蛋白譜(protein profiling)的出現和直接從薄生物組織部分 的表面成像而被擴展。使用質譜法獲得圖像以二次離子成像質譜法(SIMS)的出現開始。在成像SIMS中， 使用高能離子轟擊樣本的表面，導致來自表面的中性和帶電粒種的噴射(或濺射)。所噴射 的粒種可包括原子、原子簇和分子碎片。在傳統SIMS中，其僅為被質量分析的正離子。因 為該技術利用原子離子(即，帶電粒子)束作為探針，使入射束聚焦並接著使它掃描過表面 是相對容易的事情。對於光柵斑點處的選定質量的探測器響應變成圖像中的像素。離子束 的使用導致亞微米空間解析度。成像SIMS已用在一系列藥物應用中，其包括在細胞水平和亞細胞水平處監控藥 物。新的發展將SIMS應用於生物樣本中的低質量(< 500u)的有機化合物和代謝物。然 而，主要限制是可由該技術分析的質量範圍。在MALDI-MS成像中的初始步驟涉及薄基質層對樣本的應用。接著通過將樣本移 動到穩態雷射器下並從每個點獲得質譜來成像樣本的化學性質。三維圖像可通過繪製X和 y的空間維數相對於絕對離子豐度的曲線來獲得，絕對離子豐度被認為與分析物濃度成比 例。MALDI-MS的另外的發展涉及使用光纖進給機構的光束從雷射介質到樣本的遞送 和成形。一般，使用通過內反射產生多個光路的單個多模光纖。光纖用來使輪廓成形為分 布在樣本表面上的在空間上調製的強度。在沒有空間成形的情況下，樣本上的光束強度如 同常規使用的固態雷射器一樣呈現具有單個最大值(強度峰值)的高斯或近高斯分布。然而，雖然多模光纖進給機構在樣本上提供多個強度峰值，但數據採集的靈敏度 和速度被限制於光纖的物理配置。GB 2422954公開一種基於MALDI的雷射系統，其配置成產生在空間上成形的脈衝 雷射束，使得樣本上的空間強度分布呈現多於一個的強度峰值。公開了光或電光部件，其用 於使雷射束的強度在空間上成形，並且光或電光部件包括在中心點處全部或部分地吸收、 反射或散射雷射束的透鏡陣列、數字光學元件或掩模。光或電光部件可被調節以在樣本處 產生光束的不同的空間強度分布。然而，GB 2422954的雷射系統一般需要約為四到十個小時的相當大的數據採集周
期，並重要的是提供有限的靈敏度。所需要的是MALDI-MS裝置，其當在成像質譜分析方法(IMS)中被實現時提供增加 的靈敏度和減少的數據採集時間，同時可能提高解析度。本發明提供了一種分析系統，其利用優於當前質譜技術的質譜法，該質譜法提供 增強的靈敏度，同時數據採集時間有相應的減少。特別是，本發明提供用在MALDI-MS中的適合於使廣泛多種的非生物和生物樣本成像的裝置和方法。根據特定的實現，觀察到靈敏 度的數量級增加，優於當前的MALDI成像技術。發明人已發現，通過振動用於將雷射束遞送到樣本/離子源的光纖的區域，強度 最大值在樣本處反覆地移置(displace)，從而增加在單個像素邊界內的樣本電離的程度。本發明利用多模光纖，並且尤其是配置成當雷射束被遞送到樣本以產生多個強度 最大值時在空間上分布雷射束的單個多模光纖。通過使用適當的振動裝置來調製光纖，多 個強度最大值被有效地增加，以增加樣本輻照的表面積。本發明還包括在樣本處產生多個強度最大值的可選的裝置和方法，以及幹擾散斑 生成以便增加入射在樣本處的強度最大值的裝置。根據本發明的第一方面，提供了一種質譜儀，其包括用於產生雷射束的裝置、將激 光束遞送到離子源的多模光纖以及配置成使光纖振動以使得在離子源處的雷射束的空間 強度分布呈現多於一個的強度峰值的振動裝置。本發明適合於用在廣泛多種不同的雷射器上，這些雷射器適合於提供一般為大約 200到360nm的期望波長。根據一個特定的實現，雷射器是頻率被增加三倍以給出355nm 的波長的摻釹釩酸釔Nd:YV04。作為例子，可選的雷射器包括摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)。 特別是且如本領域技術人員將認識到的，本發明的特定實現可包括YAG、釩酸鹽、氟化釔鋰 (YLF)以及包括釹、鐿(ytterbium)的活性離子或其它基質和活性離子的組合，該特定實現 具有或不具有各種頻率轉換裝置，例如設計成提供在適當的波長處的雷射輸出的非線性晶 體。光纖振蕩/振動所使用的裝置可包括任何機械、電、聲或基於排氣量的設備，其與 光纖物理地耦合或不耦合併設計成給予在光纖中的在橫穿或垂直於其縱軸方向上的振蕩 運動。示例性振動裝置包括設計成在光纖的區域處產生可觸知的聲脈衝以便引起運動的電 機、壓電開關或揚聲器系統。如本領域技術人員將認識到的，本質譜儀包括三個基本部件，S卩，電離源、分析器 和探測器。優選地，本系統包括具有與MALDI電離源特別是正交MALDI (oMALDI)離子源一 起使用的適當的探測器系統的混合四極型飛行(hybrid quadrupole type-of-flight)分 析器。優選地，振動裝置在朝著極接近離子源/樣本室或樣本支撐件的光纖的一端的區 域處被安裝在質譜儀處。特別是，已發現在離朝向樣本室物理地耦合光纖的區域大約1到 5cm處安裝振動耦合是有利的。如本領域技術人員將認識到的，振動裝置可位於沿著光纖的 長度的任何區域處，以便給予用於在MALDI離子源處物理地移動強度最大值的振蕩運動。現在僅作為例子並參考附圖來描述本發明的具體實現，其中

圖1示意性示出根據本發明的具體實現的質譜儀，該質譜儀包括位於光纖處的振 動耦合以在橫穿其縱軸的方向上給予振蕩運動；圖2示出用圖1的質譜儀的強度相對於時間的離子色譜，圖1的質譜儀以動態 調製模式操作同時振動裝置起作用，並根據第二模式操作同時振動裝置不起作用，以對比 MALDI樣本電離強度；圖3示出根據圖2的第一且最高強度區域用激活以給予光纖調製的振動裝置來獲 得的質譜；
圖4示出根據圖2的第二且較低強度區域用未激活的振動耦合來獲得的質譜。質譜儀包括在第一端105耦合到光纖101的雷射器100 (基於例如Nd: YV04的介 質)。光纖101的第二端106通過適當的螺紋型耦合107耦合到樣本殼體102。光纖101 的遞送端106被定向以便輻照在殼體102的內室108內安裝在適當的樣本支撐件103處的 樣本/MALDI離子源104的區域。振動耦合109朝著光束遞送端106並在離端部106大約1到5cm處耦合到光纖 101。振動裝置109可使用適當的固定件(未示出)來支撐並安裝在光譜儀(spectrometer) 內，以便物理地耦合到光纖101的外表面。根據本發明的另外的具體實現，振動耦合109沒 有物理地耦合到光纖101的外表面，而是通過圍繞光纖101的外表面的、是流體特別是空氣 的介質給予振蕩運動。特別是，振動裝置109可包括設計成指引空氣脈衝朝向光纖101的 外表面的空氣泵或揚聲器系統。在使用中，且同時振動耦合109起作用，光纖101被迫沿著橫穿，特別是垂直於光 纖101的縱軸對準的方向110來回振蕩。在振動耦合109的區域處的振蕩運動110沿著光纖101的長度傳輸，以導致在輻 照端106處的成比例地較小的運動振蕩。這具有物理地移動樣本表面104處的輻照強度最 大值的效果。振動耦合109配置成使得在端部106處的光纖101的運動調製足以使強度最 大值只在近似尺寸150X100 μ m的單個像素內移置(displace)。由於本質譜儀布置的增強 的靈敏度，發明人提供能夠增強解析度(帶有像素尺寸約為25 X 25 μ m)的系統。通過MALDI質譜成像的研究進行比較研究以確定用以激活模式和未激活模式的振動耦合109對MALDI-MSI儀 器靈敏度的影響。結果在圖2到4中示出。使用來自 Applied Biosystems/MDS Sciex(Concord，Ontario，Canada)的、安裝有 正交MALDI源和「o-MADLI Server 4. 0」、離子成像軟體的API 「Q-Star"脈衝星i混合四 極飛行時間儀器執行質譜分析。使用BioMap成像軟體來執行圖像處理(www, maldi-msi. org)。使用具有近似尺寸150X 100 μ m的雷射斑點的摻釹釩酸釔(Nd:YV04)雷射器。使 用30%雷射功率和IkHz的雷射重複率(雖然可使用更高或更低的頻率)，以大約2s的對 每個斑點的燒蝕(ablation)時間，以200 μ m增量來採集圖像。Applied Biosystems/MDS Sciex 「動態像素」MALDI MSI採集模式的試用(beta)測試版本用於所有的研究。圖2示出總離子色譜，其帶有振動耦合109起作用以調製光束輪廓(區域200)以 及振動耦合109不起作用而沒有在方向110上光纖101的振動(區域202)。圖2示出當光 纖端部106來回移動同時樣本104被輻照時，由於樣本表面區域的輻照而在產生的樣本電 離的強度上的差異。如圖2所示，區域200和區域202之間的強度差異大約是一個數量級。 陡峭的過渡區域201對應於到機械振動耦合109的功率的終止，導致強度的急劇下降。圖3示出根據圖2的區域202用未激活的振動耦合109獲得的質譜。圖4示出利用與圖3的研究中使用的相同的MALDI電離源和儀器參數、根據圖2 的區域200用激活的耦合109獲得的質譜。參考圖3和4，電離數據只在區域300和301處出現，其用未激活的振動耦合109。 相反，根據強度區域400和401，強度分布明顯增加，其用激活的耦合109以輻照較大的樣本表面區域。特別是，由於本發明的增加的靈敏度，在區域402處採集到數據，該數據對於圖 3的布置是不可用的。
權利要求
1.一種質譜儀，包括用於產生雷射束的裝置；多模光纖，其將所述雷射束遞送到離子源；以及振動裝置，其配置成使所述光纖振動，使得在所述離子源處，所述雷射束的空間強度分 布呈現多於一個的強度峰值。
2.如權利要求1所述的質譜儀，其中所述振動裝置包括機械振動設備。
3.如權利要求1所述的質譜儀，其中所述振動裝置包括壓電開關。
4.如任一前述權利要求所述的質譜儀，其中所述振動裝置物理地耦合到所述光纖。
5.如權利要求1所述的質譜儀，其中所述振動裝置包括在所述光纖的區域處產生空氣 波以使所述光纖振動的裝置。
6.如任一前述權利要求所述的質譜儀，其中所述用於產生雷射束的裝置包括增益介 質，該增益介質包括下列項的組中的任何一個或組合 YAG ； 釩酸釔； 氟化釔鋰。
7.如權利要求6所述的質譜儀，其中所述用於產生雷射束的裝置還包括下列項的組中 的任何一個或組合 釹；^^ ,思 ο
8.如權利要求6所述的質譜儀，其中所述用於產生雷射束的裝置還包括用於頻率轉換 的一個或多個非線性晶體。
9.如任一前述權利要求所述的質譜儀，還包括樣本室，所述光纖耦合到所述樣本室，以 便將所述雷射束指弓I到所述樣本室的內部。
10.如權利要求9所述的質譜儀，其中所述振動裝置被布置成使所述光纖在沿著其長 度的區域處、在離所述樣本室的範圍是1到5cm的距離處振動。
11.一種如任一前述權利要求所述的成像質譜儀。
12.—種如任一前述權利要求所述的基質輔助雷射解吸/電離質譜儀。
13.—種雷射束遞送的方法，該方法作為基質輔助雷射解吸/電離質譜法的一部分，將 雷射束遞送到樣本，所述方法包括產生雷射束；使用多模光纖將所述雷射束遞送到離子源；以及使用振動裝置使所述光纖在沿著其長度的區域處振動，使得在所述離子源處，所述激 光束的空間強度分布呈現多於一個的強度峰值。
14.一種如權利要求13所述的質譜成像的方法。
全文摘要
基質輔助雷射解吸/電離質譜成像(MALDI-MSI)裝置和方法包括雷射器(100)和將雷射束遞送到MADLI離子源(104)的多模光纖(101)。振動耦合(109)設置在沿著光纖(101)的長度的區域處，以給予在光纖(101)處的振蕩振動運動，以在樣本(104)處移動輻照強度最大值來增加有效的輻照表面區域。本裝置和方法提供增加的成像靈敏度和數據採集時間的相應減少。
文檔編號H01J49/16GK102124540SQ200980129598
公開日2011年7月13日 申請日期2009年5月18日 優先權日2008年5月29日
發明者基思·奧克斯, 薩莉·阿特金森, 馬爾科姆·克倫奇 申請人:謝菲爾德哈萊姆大學