CN1992143B - 用于maldi的激光聚焦和斑点成像的组合装置 - Google Patents

Abstract

一种MALDI离子源，包括接收样品的样品板，产生激光辐射以电离该样品的激光器，第一光学元件，该第一光学元件被布置成引导该激光辐射沿着第一光学路径朝向目标区域，以及第二光学元件，该第二光学元件被布置成沿着该第一光学路径以聚焦该激光辐射到该目标区域上。该第一和第二光学元件被布置成这样以使得该目标区域反射的光沿着该第一光学路径传播通过该第一和第二光学元件，该第一光学元件沿着第一方向反射该激光辐射并传输该目标区域反射的在第二方向穿过该第一光学路径的光。一种观察该板表面的成像设备可被布置成接收已经被该目标区域反射并且已经通过该第一和第二光学元件穿过该第一光学路径的光。

Description

用于MALDI的激光聚焦和斑点成像的组合装置

技术领域

本发明涉及一种光学和光谱系统，更尤其但并不限于地涉及一种用于基质辅助激光解吸电离(MALDI)的激光聚焦和斑点成像的组合装置和方法。

背景技术

已经证实了，诸如基质辅助激光解吸电离的基质辅助电离方法在有机和生物化合物的光谱分析方面是有效的。在MALDI技术中，样品和与该样品共同结晶的有机基质相结合，然后被沉积在样品板上。样品板可包含大量的这种样品，其中每个样品占有该板表面上的一小块区域。将样品板放置在MALDI离子源中，在该离子源中，对准样品的激光束汽化基质，并电离该样品内分析化合物。

在MALDI系统中，激光束聚焦在包含有所关心的特殊样品的样品板上的特定目标区域。设置成像设备来观察目标区域和激光束的轨迹，定位所关心的样品并确保其位于该目标区域内，确认该激光束准确地对准以便碰撞目标区域内的样品，并且也为了观察激光束和样品基质之间的相互作用。

在常规的MALDI源中，用于汽化样品的激光束和从该样品反射出并被成像设备捕获的光辐射(通常是可见光辐射)沿着分开的光学路径。特别地，通常引导激光束沿着与其它光学路径分开的专用的光学路径，该激光束可包含紫外辐射。由于这些光学路径的分离，可能难以避免利用成像设备观察的样品板表面上的区域与被激光束碰撞的目标区域不相配的未对准误差，结果导致难以确定激光束是否对准目标区域内所关心的样品。

此外，通过允许较小目标区域和样品的观察和电离可以提高这种系统的分辨率的光学设备，例如提供聚焦和放大的功能强的光学透镜，在激光和可见光的路径在其中是分开的MALDI系统中的使用是特别麻烦的，因为这种设备在任一光学路径(或两个光学路径)中的使用可能会加剧路径的未对准，或者需要昂贵和重复的机械装置来重新调整路径。由于增加的光学分辨率可提高MADLI源的处理量和效率，因此，需要这种未对准问题在其中不可能发生或可能发生在更加有限的范围内的MALDI系统或方法，以便使光学设备的使用能够促进改进的样品利用率和处理量。

发明内容

一方面，本发明提供一种离子源，该离子源包括接收样品的样品板，产生激光辐射来电离该样品的激光器，布置成引导该激光辐射沿着朝向目标区域的第一光学路径的第一光学元件，以及布置成沿着该第一光学路径聚焦该激光辐射到该目标区域上的第二光学元件。该第一和第二光学元件被这样布置，以使得该目标区域反射的光沿着该第一光学路径传播通过该第一和第二光学元件，该第一光学元件沿着第一方向反射该激光辐射并传输该目标区域反射的在第二方向穿过该第一光学路径的光。可以布置用于观察板表面的成像设备来接收已经被该目标区域反射并且已经在第二方向穿过该第一和第二光学元件之间的该第一光学路径的光。

在一个实施例中，离子源可进一步包括布置在该第一和第二光学元件之间的该第一光学路径中的第三光学元件。该第三光学元件被布置成将导入第一方向的激光辐射朝向第二光学元件反射并在第二方向引导被反射的光朝向第一光学元件。

另一方面，本发明提供一种用于基质辅助激光解吸电离的方法，包括引导紫外(UV)激光辐射沿着第一光学路径到目标区域以电离该目标区域内的样品，并捕获该目标区域反射的穿过第一光学路径的光辐射。

本发明中也包括一种质谱仪，其中使用了用于基质辅助激光解吸电离的离子源和方法。

附图说明

图1是根据本发明实施例的MALDI离子源的示范性实施例的示意图。

图2是根据本发明的MALDI离子源的另一个示范性实施例的示意图。

图3是根据本发明的示范性的质谱仪系统示意图示。

具体实施方式

首先，需要注意的是，这里所涉及的单数项目包括存在多于一个同样的项目的可能性。更特别地，如这里和附加的权利要求中所使用的，单数形式的“一”、“所述”和“该”包括多个对象，除非上下文中有其它明确的指示。

图1示出了根据本发明的MALDI离子源的第一实施例的示意图。离子源10包括可移动的样品板15，该样品板15具有包含多于一个在空间上不同的的基于基质的分析样品的表面，照明设备20，该照明设备20被定位成投射与该样品板表面上的区域接触的光束，以及激光源30，该激光源30产生被引导到该样品板表上的目标区域上的高强度相干辐射的光束。离子源10还包括成像由照明设备照明的该样品板上的区域或该区域的一部分的成像设备40。这些元件被彼此相对设置和相对于其它的光学元件(将在下文中描述)设置，以使得碰撞样品板的目标区域的激光辐射和被样品板反射(或发出)并在此后被成像设备捕获的光部分地共用相同的光学路径。需要注意的是，所有上述元件并不是必定(并且通常不是)被包含在封闭的空间或室内。例如，成像设备和激光源两者都可以被定位在包含样品板的室的外部。

再次参考图1，照明设备20邻近样品板15定位并与其相隔一定距离。照明设备20可用来直接照明样品板15，或者可将诸如光纤22和/或透镜元件24的光学元件邻近该照明设备定位在该照明设备和样品板之间以便在该照明设备发出的光(下文中，称为“照明辐射”)到达样品板的表面之前提高其方向性和/或聚焦。也可可选地包括滤光片28，该滤光片28直接邻近照明设备20以过滤和/或偏振照明辐射。在一个实施例中，照明源和与其相关的光可以省略，并且利用环境光照明目标区域。

在优选的实施方式中，如共同待决和共同转让的美国专利申请序号为11/148,786、名称为“离子源样品板照明系统(Ion Source Sample PlateIllumination System)”中所描述的，布置照明设备20以使得照明辐射以0和15度之间的掠射角接触样品板表面。然而，需要强调的是这种构造只是优选的实施方式并且其并不应被看作是以任何方式限定本发明的范围。

可定位激光源30以使得当照明是来自定向源时，以相对于照明辐射方向的角度来引导激光束。在描述的实施例中，激光束近似地与照明辐射垂直，但是，这仅是代表一种实施方式并且其也并不被看作是限定本发明的范围。激光源30产生强度和频率适于样品基质的汽化和随后的分析物分子电离的相干辐射。在很多光谱应用中，发现紫外辐射具有用于基质辅助解吸和电离目的的适合的光子能量。

激光束在基质上的碰撞导致汽化的离子以被存在于离子源10中的气体流和/或静电力吸引的烟柱的形式流动离开样品板到毛细管60。离子和任何曳出气体被压力梯度吸引通过毛细管并朝向质谱仪(未示出)。

第一光学元件32定位在激光源30和样品板15之间的从该激光源发出的光束的初始路径中。第一光学元件32是半反射的并可包括分束器反射镜，该分束器反射镜可反射处于紫外波段内的大部分入射辐射并且也能够透射可见波段内的大部分入射辐射。合适的分束镜在光学领域是公知的。透镜元件34可邻近定位在该激光源的前面以调节激光束沿着其初始路径朝向第一光学元件32。第一光学元件32可以在与激光束的初始路径成30到60度范围内的角度定向；在优选的实施方式中，该第一光学元件可以与激光束路径成大约45度定向以便将入射的激光束沿近似垂直于其初始路径的方向反射。反射离开第一光学元件32的激光束沿着在第一光学元件和样品板15上的目标区域之间延伸的‘第一光学路径’传播。反射激光束沿着第一光学路径从第一光学元件32到目标区域的方向由此被称为“第一”方向，并且相反的方向，即反射光辐射沿着该第一光学路径从目标区域到第一光学元件32的方向被称为“第二”方向。需要注意的是，虽然图1示出了激光束在第一方向传播和反射光沿着第一光学路径在第二方向传播的路径在空间上略微分离，但是，这仅是为了说明的目的，激光辐射和光辐射在空间上是重叠的。

取决于本领域技术人员熟知的各种光学因素和参数，第二光学元件38定位在比第一光学元件32更沿着第一方向的光学路径中，并且可被邻近样品板定位。特别地，“工作距离”可以是大约20mm或更大，所述“工作距离”是第二光学元件38和样品板上的目标区域之间的距离。第二光学元件38是折射的并且包括相对于激光辐射是有效的一个或更多个透镜元件，即如果激光包括紫外辐射，则是一个或更多个紫外透镜。第二光学元件38可具有高的聚焦和放大能力并可用来聚焦激光朝向样品板上(或下面)的小目标区域以电离目标区域内已选择的样品。通过第二光学元件的聚焦能力，激光束的目标区域可以减小至25微米的区域，这可以显著地提高样品分辨率。

在描述的实施例中，定位在第一光学元件32和第二光学元件38之间的第三反射光学元件36反射并重新定向入射辐射。优选地，第三反射元件36在反射可见和紫外波段内的光辐射方面都是有效的。第三光学元件36考虑到如图1中说明和描述的样品板15、照明源20、激光源30和成像设备的配置的适宜的间隔。

沿着第一光学路径在第二方向从目标区域传播的光辐射被反射离开第三光学元件36而朝向第一光学元件32。大部分光辐射透过第一光学元件32而朝向成像设备40。例如可包括紫外阻挡滤光片和/或偏振滤光片的滤光元件42和光学透镜元件44可被定位在第一光学元件32和成像设备40之间。滤光元件42可以阻挡紫外辐射和/或提高从第一光学路径透过第一光学元件32的光辐射的偏振，除去能干扰成像的外部辐射。光学透镜元件44聚焦透射的光辐射朝向成像设备40的光探测元件。

尽管诸如电荷耦合器(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机的提供数字输出的照相机最易于使用，但是，成像设备40可包括例如包括照相机的任何响应光辐射的探测设备。该成像设备可以耦合到离子源外部的用于观察目的的监视器(如图3中所示)。

在一个实施例中，沿着第一光学路径在第二方向传播的光辐射可包括从目标区域响应激光激发而发出的荧光辐射，并且也可以选择光学元件42、44和成像设备40以用于这种现象的最佳传输、探测和观察。

在操作方面，激光源30产生的激光束被透镜元件34聚焦，然后被第一光学元件32反射，该第一光学元件32在第一方向沿着第一光学路径以一角度重新定向该激光束。沿着第一光学路径，该激光束被第三光学元件以一角度反射向样品板15上的目标区域。沿着到达目标区域的路径，该激光束穿过第二光学元件38并在其中被聚焦，这将在该激光束碰撞该目标区域之前，缩小该激光束的直径并最终增加该光束的强度。

激光束的碰撞解吸并汽化了包含在目标区域内的大部分基质和分析物。一些基质分子也被该激光束电离；基质离子然后通过电荷转移过程电离分析物分子。汽化的粒子以烟柱的形式释放，然后烟柱内的离子被静电地引导和/或通过气流朝向毛细管60的入口，该毛细管60传送离子到包括质量分析仪的质谱仪的下游级。此外，如果基质包括荧光化合物，则激光束可以激发这种化合物并且这种化合物可以响应激光激发而发射荧光辐射。

同时，以照明包括目标区域的样品板表面上的区域为目的，引导来自照明源的照明辐射到样品板15的上面。照明的最重要的应用是定位目标区域中的样品晶体；然而，照明也允许通过监视器实时捕获和记录或观察激光束在样品上的碰撞。如上所述，可通过光学元件22，24，28过滤、引导和聚焦照明辐射以增加样品板15的表面的小区域上的聚焦和照明强度。

照明辐射在目标区域或其附近从样品板15的表面反射、衍射和/或散射，并且这种反射光辐射的一部分沿着第一光学路径在第二方向传播。沿着第一光学路径，该光辐射被第二光学元件38聚焦，然后被第三光学元件36反射到第一光学元件。光辐射的大部分透过第一光学元件32而朝向成像设备40。光辐射在到达成像设备40之前被相应的光学元件42，44再次过滤和聚焦。

根据这一方法，只要照明辐射包围激光束在其中碰撞样品板的区域，成像设备就能捕获目标区域的图，因为成像设备捕获的光辐射和激光束沿着相同的光学路径传播并被相同的折射光学元件，即该路径内的第二光学元件38改变。相反地，只要成像设备“观察”目标区域内所关心的样品，激光束就将被引导到该样品上。例如，如果第三光学元件36的角度被意外地改变，由于激光束反射离开该元件，这种改变将改变激光束的轨迹，以致于激光束的目标区域将改变。然而同样地，由于“新”目标区域反射的光辐射从样品板的表面向第三光学元件36传播，所以“新”目标区域反射的任何光辐射将具有与激光束相同的角度轨迹，然后将被改变了的第三光学元件反射回第一光学元件32和成像设备40。因此，由于激光束和光辐射沿着相同的第一光学路径传播，共享该路径内相同的光学器件，并自动地彼此对应，所以本发明的MALDI源系统是自动修正的。

图2示出了本发明的可替换的实施例，其中没有使用第三光学元件。在这种情况下，第一光学元件32相对于激光束大约45度定向，以致于直接向样品板15的表面反射激光束。因此，在这种情况下的第一光学路径是从第一光学元件通过第二光学元件到样品板表面的路径，并且第一和第二光学元件之间没有插入的反射元件。同样，来源于样品板15的目标区域的反射、散射、衍射或发射的光辐射在反方向通过第二光学元件38直接传播到第一光学元件32。在该实施例中，成像设备40的放置不同于第一实施例，并且其相对于其在第一实施例中的位置以顺时针方向在20和70度(基于第一光学元件32的角度)之间的范围内旋转以捕获透过第一光学元件的光辐射。

本发明的系统和方法提供许多用于执行MALDI的便利和优点。如上所述，由于离子源包含一个连接第一光学元件和目标区域的主要光学路径，所以可以更加容易地避免未对准误差。这消除了观察视差。这对于准确地引导激光到目标区域上是重要的。

此外，第二光学元件中的一个或多个高放大率的紫外透镜的使用能够获得更高的光学分辨率以及20mm或更大的便利工作距离。利用这种透镜元件可聚焦激光束到可以选择样品的子部分乃至位于样品目标区域的表面下面的某一深度的部分的程度。例如，这可在需要‘轰击’嵌入液晶基质内的晶体结构时发生。高放大率透镜同样允许样品的深度和厚度的非常精确的测量，以及与利用目前发展水平的x/y工作台运动控制可得到的样品板的运动精度可比的尺寸测量精度。由于这些技术优点，每个样品板的目标区域的数目可以增加多于十倍。例如，通常用在MALDI离子源中的样品板具有96个样品区域；本发明改进的激光和图像聚焦使得能够在样品板上沉积并准确地瞄准多达1536个用于电离和成像的样品区域。

图3示意性示出了使用了上面相对于图1描述的MALDI离子源的质谱仪系统。质谱仪100包括离子源10和包含离子探测器92的质量分析仪90，离子源10和质量分析仪90通过一个或更多个中间室80(图中以单个室表示)连接，中间室80可包括一个或更多个真空台(vacuum stage)和离子导入82。可将外部监视器70耦合到离子源内的用于观察目的的成像元件。然而，需要再次注意的是，图3中包围的离子源内描述的几个元件也可以在外部定位，例如成像设备、照明设备和激光源。

控制系统110可耦合到离子源10，并且特别地被耦合成接收来自成像设备的输入并传输输出控制信号到离子源内的样品板15。该控制系统可以具有存储的用于图像识别和自动的目标获取的算法，所以其能够从成像设备捕获的图像信息中识别样品板上的目标区域是否包括所关心的样品，然后能够(取决于接收的输入)传输信号以利用工作台运动控制在其平面内在x和y方向调整样品板的位置以使得可以定位目标区域内所关心的样品晶体。

质谱仪100的质量分析仪90可包括四级，三重四级，线性离子阱，三维离子阱，飞行时间，轨道阱(orbitrap)，FT-ICT(傅立叶变换离子回旋共振)或其它本领域熟知的质量-电荷(mass-to-charge)分析仪。

使用中，如果MALDI离子源被用在大气压中，初始的中间室80可被维持在低于大气压的大约两个数量级的压力，而此外的中间室被维持在依次较低的压力。质量分析仪90通常被维持在低于中间室的大约两到四个数量级的压力。离子源10中产生的离子进入毛细管并被扫入中间室80，在那里受到利用离子引导82的处理，然后被传送到质量分析仪90并在那里被探测。质量分析仪90确定离子的质荷比，该质荷比随后可被用于导出关于已经产生了离子的该样品的其它信息。

虽然已经关于具体实施例描述了本发明，但是需要理解的是由于进一步的改进和变化对本领域技术人员来说是显而易见，所以这种描述并不打算用于限制。本发明打算覆盖所有这些落入附加权利要求的范围内的改进和变化。

Claims (26)

1.一种离子源，包括：

接收样品的样品板；

产生激光辐射以电离所述样品的激光器；

第一光学元件，所述第一光学元件被布置成引导所述激光辐射沿着第一光学路径朝向所述样品板上的目标区域；

第二光学元件，所述第二光学元件被布置成沿着所述第一光学路径聚焦所述激光辐射到所述目标区域上；以及

产生在目标区域接触所述样品板表面的光束的照明设备，

其中，所述第一和第二光学元件被布置成这样以使得从所述目标区域反射的光沿着所述第一光学路径传播通过所述第一和第二光学元件，所述第一光学元件沿着第一方向反射所述激光辐射并传输从所述目标区域反射的在第二方向穿过所述第一光学路径的光，

所述照明设备相对于所述样品板布置成使得其限定所述光束和所述样品板的照明表面之间的掠射角，所述掠射角在0和15度之间。

2.根据权利要求1所述的离子源，还包括：

观察所述样品板表面的成像设备，该成像设备被布置成接收已经被从所述目标区域反射，并且已经在所述第二方向穿过所述第一和第二光学元件之间的所述第一光学路径的光。

3.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一方向和所述第二方向垂直。

4.根据权利要求2所述的离子源，还包括：

布置在所述第一和第二光学元件之间的所述第一光学路径中的第三光学元件，所述第三光学元件被布置成引导所述第一和第二光学元件之间的激光辐射并引导来自所述第二光学元件的反射光到所述第一光学元件。

5.根据权利要求4所述的离子源，其中，所述激光包括紫外(UV)辐射，而所述第三光学元件包括紫外(UV)反射镜。

6.根据权利要求4所述的离子源，其中，所述第一光学元件包括分束器反射镜。

7.根据权利要求4所述的离子源，其中，所述激光辐射包括紫外辐射，而所述第二光学元件包括紫外(UV)透镜。

8.根据权利要求4所述的离子源，还包括：

布置在所述第一光学元件和所述成像设备之间的光学滤光元件。

9.根据权利要求8所述的离子源，其中，所述光学滤光元件包括偏振滤光片。

10.根据权利要求8所述的离子源，其中，所述光学滤光元件包括紫外(UV)阻挡滤光片。

11.根据权利要求4所述的离子源，还包括：

邻近所述激光器布置以聚焦激光辐射的透镜元件。

12.根据权利要求4所述的离子源，还包括：

邻近所述成像设备布置的透镜元件。

13.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述照明设备包括连接到光源的光纤光导。

14.根据权利要求13所述的离子源，还包括：

布置在所述光纤和所述样品板之间的用于聚焦所述光束到所述目标区域的透镜元件。

15.一种质谱仪系统，包括：

a)离子源，包括：

接收样品的样品板；

产生激光辐射以电离样品的激光器；

第一光学元件，所述第一光学元件被布置成引导所述激光辐射沿着第一光学路径朝向目标区域；

第二光学元件，所述第二光学元件被布置成沿着所述第一光学路径聚焦所述激光辐射到所述目标区域上；以及

产生在目标区域接触所述样品板表面的光束的照明设备，

其中，所述第一和第二光学元件被布置成这样以使得从所述目标区域反射的光沿着所述第一光学路径传播通过所述第一和第二光学元件，所述第一光学元件沿着第一方向反射所述激光辐射并传输从所述目标区域反射的在第二方向穿过所述第一光学路径的光，

所述照明设备相对于所述样品板布置成使得其限定所述光束和所述样品板的照明表面之间的掠射角，所述掠射角在0和15度之间；

b)耦合到所述离子源的质谱仪。

16.根据权利要求15所述的质谱仪系统，其中，所述离子源还包括观察所述样品板表面的成像设备，所述成像设备被布置成接收已经被所述目标区域反射并且已经在第二方向穿过所述第一和第二光学元件之间的所述第一光学路径的光。

17.根据权利要求16所述的质谱仪系统，其中，所述离子源还包括布置在所述第一和第二光学元件之间的所述第一光学路径中的第三光学元件，所述第三光学元件被布置成引导所述第一和第二光学元件之间的激光辐射并引导来自所述第二光学元件的反射光到所述第一光学元件。

18.根据权利要求15所述的质谱仪系统，其中，所述第一光学元件包括分束器反射镜。

19.根据权利要求15所述的质谱仪系统，其中，所述激光辐射包括紫外辐射，而所述第二光学元件包括紫外(UV)透镜。

20.根据权利要求17所述的质谱仪系统，其中，所述离子源在大气压力下操作。

21.一种基质辅助激光解吸电离方法，包括：

引导紫外(UV)辐射沿着第一光学路径到样品板上的目标区域，所述紫外辐射包括电离所述目标区域内的样品的激光辐射；

捕获从所述目标区域反射的穿过第一光学路径的光辐射；以及

照明所述样品板表面上的目标区域，其中，用于照明的光束和所述样品板的照明表面之间成0到15度之间的掠射角。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

在所述一光学路径的第一末端从所述紫外辐射中分离出反射光辐射；

其中，所述反射光辐射和所述紫外辐射在相反的方向沿着所述第一光学路径传播。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括：

聚焦穿过所述第一光学路径的所述紫外辐射到所述样品板的目标区域上。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：

利用布置在所述第一光学路径中的紫外(UV)透镜执行所述聚焦。

25.根据权利要求23所述的方法，还包括：

在所述样品板表面下面的目标区域聚焦所述紫外辐射。

26.根据权利要求21所述的方法，还包括：

利用所述捕获的光辐射产生所述目标区域的图像。

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