DE102005006125B4 - Laser system for the ionization of a sample through matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis - Google Patents
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Abstract
Lasersystem (300) für die Ionisation einer Probe (301) durch matrixunterstützte Laserdesorption in der massenspektrometrischen Analyse, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (300) eine einstellbare Vorrichtung enthält, mit der die Laserstrahlung räumlich moduliert wird, und die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der Probe (301) in einer Einstellung der Vorrichtung aus einer einzelnen Intensitätsspitze und in einer anderen Einstellung aus einer Vielzahl von Intensitätsspitzen besteht, wobei die einstellbare Vorrichtunga) im Strahlengang des Lasersystems (300) hintereinander ein Linsenarray (306), ein variables optisches System (307), eine erste fokussierende Optik (309) und eine zweite fokussierende Optik (304) enthält, und wobeib) das variable optische System (307) so eingestellt werden kann, dass es in unterschiedlichen Einstellungen jeweils eine von mehreren optischen Ebenen hinter dem Linsenarray (306) in die vordere Fokusebene der ersten fokussierenden Optik (309) abbildet, und wobeic) sich die Probe (301) in der hinteren Fokusebene der zweiten fokussierenden Optik (304) befindet.Laser system (300) for the ionization of a sample (301) by matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis, characterized in that the laser system (300) contains an adjustable device with which the laser radiation is spatially modulated, and the intensity distribution of the laser radiation on the sample (301) in one setting of the device consists of a single intensity peak and in another setting consists of a plurality of intensity peaks, the adjustable device a) one behind the other in the beam path of the laser system (300) a lens array (306), a variable optical system (307) , a first focusing optic (309) and a second focusing optic (304), and wherebyib) the variable optical system (307) can be adjusted so that in different settings there is one of several optical planes behind the lens array (306) into the front focal plane of the first focusing optics (309) images, and wherebyic) the sample (301) is in the rear focal plane of the second focusing optics (304).
Description
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem für die Ionisation einer Probe durch matrixunterstützte Laserdesorption in der massenspektrometrischen Analyse.The invention relates to a laser system for ionizing a sample by means of matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis.
Die Erfindung besteht darin, dass ein einstellbares Lasersystem bereitgestellt wird, das in einer Einstellung eine einzelne Intensitätsspitze und in einer anderen Einstellung eine Vielzahl von Intensitätsspitzen auf der Probe erzeugt, wobei die einzelne Intensitätsspitze und/oder die Intensitätsspitzen bezüglich der Halbwertsbreite, der Intensität, der räumlichen Anordnung und/oder des räumlichen Modulationsgrades einstellbar sind.The invention consists in providing an adjustable laser system which in one setting generates a single intensity peak and in another setting a plurality of intensity peaks on the sample, the single intensity peak and / or the intensity peaks with respect to the half-width, the intensity, the spatial arrangement and / or the spatial degree of modulation are adjustable.
Stand der TechnikState of the art
In der massenspektrometrischen Analyse haben sich in den letzten 10 bis 15 Jahren zwei Verfahren zur weichen Ionisation von biologischen Makromolekülen durchgesetzt: die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI, Abkürzung für „Matrix Assisted Laser Desorption Ionization“) und das Elektrosprühen (ESI, Abkürzung für „Electro Spray Ionization“). Die zu analysierenden biologischen Makromoleküle werden im Folgenden als Analytmoleküle bezeichnet. Beim MALDI-Verfahren sind die Analytmoleküle in der Regel auf der Oberfläche eines Probenträgers in einer festen Matrix präpariert, während sie beim ESI-Verfahren in einer Flüssigkeit gelöst sind. Beide Verfahren haben großen Einfluss auf die massenspektrometrische Analyse von biologischen Makromolekülen in der Genomik, Proteomik und Metabolomik; ihre Erfinder wurden im Jahr 2002 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.In mass spectrometric analysis, two methods for soft ionization of biological macromolecules have become established in the last 10 to 15 years: matrix-assisted laser desorption / ionization (MALDI, abbreviation for "Matrix Assisted Laser Desorption Ionization") and electrospraying (ESI, abbreviation for " Electro Spray Ionization "). The biological macromolecules to be analyzed are referred to below as analyte molecules. In the MALDI method, the analyte molecules are usually prepared on the surface of a sample carrier in a solid matrix, while in the ESI method they are dissolved in a liquid. Both methods have a major influence on the mass spectrometric analysis of biological macromolecules in genomics, proteomics and metabolomics; its inventors were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2002.
In einer präparierten MALDI-Probe sind die Matrixmoleküle gegenüber den Analytmolekülen mit einem 103 bis 105 fachen Überschuss vorhanden und bilden eine polykristalline Matrix, in der die Analytmoleküle vereinzelt im Inneren der Kristalle oder an deren Korngrenzen eingebaut sind. Die präparierte MALDI-Probe wird kurzzeitig mit einem Laserpuls bestrahlt, der von den Matrixmolekülen stark absorbiert wird. Durch die gepulste Bestrahlung wird die Matrix explosionsartig aus dem festen Aggregatzustand in die Gasphase einer Verdampfungswolke überführt (Desorption). Die Ionisation der Analytmoleküle erfolgt in der Regel durch deren Protonierung oder Deprotonierung in Reaktionen mit Matrixmolekülen oder Matrixionen, wobei die Analytionen nach dem Verlassen der Verdampfungswolke vorwiegend einfach geladen vorliegen. Der Ionisationsgrad der Analytmoleküle beträgt nur etwa 10-4. Man spricht von weicher Ionisation, wenn ein Analytmolekül isoliert in die Gasphase überführt und ionisiert wird, ohne einen Bindungsbruch zu erleiden.In a prepared MALDI sample, the matrix molecules are present in a 10 3 to 10 5- fold excess over the analyte molecules and form a polycrystalline matrix in which the analyte molecules are incorporated individually inside the crystals or at their grain boundaries. The prepared MALDI sample is briefly irradiated with a laser pulse that is strongly absorbed by the matrix molecules. The pulsed irradiation causes the matrix to explode from the solid state of aggregation into the gas phase of an evaporation cloud (desorption). The ionization of the analyte molecules usually takes place through their protonation or deprotonation in reactions with matrix molecules or matrix ions, the analyte ions being predominantly simply charged after leaving the vaporization cloud. The degree of ionization of the analyte molecules is only about 10 -4 . One speaks of soft ionization when an analyte molecule is isolated and transferred into the gas phase and ionized without breaking the bond.
Die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation ist trotz der linearen Absorption durch die Matrix ein nichtlinearer Prozess, der für gepulste Laserstrahlung mit einer Dauer von einigen Nanosekunden erst ab einer Intensitätsschwelle von etwa 106 Watt pro Quadratzentimeter einsetzt. Für eine weiche Ionisation liegt die maximale Intensität bei einer Obergrenze von ungefähr 107 Watt pro Quadratzentimeter. Bei einer typischen Dauer der Laserpulse von etwa zehn Nanosekunden ergibt sich aus den genannten Intensitätsgrenzen eine Fluenz zwischen 10 bis 100 Millijoule pro Quadratzentimeter.The matrix-assisted laser desorption / ionization is, despite the linear absorption by the matrix, a non-linear process which, for pulsed laser radiation with a duration of a few nanoseconds, only starts from an intensity threshold of around 10 6 watts per square centimeter. For soft ionization, the maximum intensity is at an upper limit of approximately 10 7 watts per square centimeter. With a typical duration of the laser pulses of around ten nanoseconds, the aforementioned intensity limits result in a fluence of between 10 and 100 millijoules per square centimeter.
Der MALDI-Prozess ist komplex und wird durch viele und zum Teil voneinander abhängige Faktoren beeinflusst. Seit der Erstveröffentlichung des MALDI-Verfahrens im Jahr 1988 wurden viele Parameter untersucht und variiert. Trotzdem sind die Prozesse in der Matrix und in der Verdampfungswolke, die zur Ionisation der Analytmoleküle führen, noch nicht vollständig verstanden und werden weiterhin intensiv erforscht (
Die chemischen Parameter des MALDI-Prozesses, wie zum Beispiel die Matrixsubstanzen selber, das Konzentrationsverhältnis zwischen Matrix- und Analytmolekülen und die Präparationsbedingungen, sind eingehend untersucht worden. Für Analytmoleküle unterschiedlicher chemischer Substanzklassen, wie etwa Proteine oder Nukleinsäuren, sind über einhundert verschiedene chemische Matrixsubstanzen bekannt, wie zum Beispiel Sinapinsäure, DHB (Abkürzung für „2,5-dihydroxy-bencoic acid“), CHCA (Abkürzung für „α-cyano-4-hydroxy cinnamic acid“, Zimtsäure) oder HPA (Abkürzung für „3-hydroxypicolinic acid“). Die Matrixsubstanzen weisen im Wellenlängenbereich zwischen 330 und 360 Nanometer eine starke Absorption auf. Eine MALDI-Probe kann auf verschiedene Arten präpariert werden, zum Beispiel mit der „Dried Droplet“ Präparation oder der Dünnschichtpräparation (im Englischen „Thin Layer“). In der „Dried Droplet“ Präparation wird die Matrixsubstanz zusammen mit den Analytmolekülen in einem Lösungsmittel gelöst, auf einen Probenträger aufgetragen und anschließend langsam an Luft getrocknet. In der Dünnschichtpräparation hingegen wird die Matrixsubstanz ohne Analytmoleküle in einem flüchtigen Lösungsmittel, wie z.B. Aceton oder Acetonitril, gelöst und auf den Probenträger aufgetragen. Das flüchtige Lösungsmittel verdunstet im Vergleich zur „Dried Droplet“ Präparation sehr schnell und ermöglicht die Entstehung einer dünnen homogenen Matrixschicht. Danach wird eine Lösung mit Analytmolekülen auf die dünne Matrixschicht gegeben, wodurch diese teilweise erneut gelöst wird und die Analytmoleküle bei der anschließenden Trocknung in die Matrix eingebaut werden. Während in der Dünnschichtpräparation eine homogene MALDI-Probe mit Mikrokristallen entsteht, bilden sich in der „Dried Droplet“ Präparation größere Kristalle und die Oberfläche der MALDI-Probe zeigt eine ausgeprägte Morphologie mit unterschiedlichen Probendicken.The chemical parameters of the MALDI process, such as the matrix substances themselves, the concentration ratio between matrix and analyte molecules and the preparation conditions, have been examined in detail. For analyte molecules of different chemical substance classes, such as proteins or nucleic acids, over one hundred different chemical matrix substances are known, such as sinapic acid, DHB (abbreviation for "2,5-dihydroxy-bencoic acid"), CHCA (abbreviation for "α-cyano- 4-hydroxy cinnamic acid ", cinnamic acid) or HPA (abbreviation for" 3-hydroxypicolinic acid "). The matrix substances show strong absorption in the wavelength range between 330 and 360 nanometers. A MALDI sample can be prepared in different ways, for example with the "Dried Droplet" preparation or the "Thin Layer" preparation. In the "Dried Droplet" preparation, the matrix substance is dissolved together with the analyte molecules in a solvent, applied to a sample carrier and then slowly dried in air. In thin-layer preparation, on the other hand, the matrix substance without analyte molecules is dissolved in a volatile solvent, such as acetone or acetonitrile, and applied to the sample carrier. Compared to the "Dried Droplet" preparation, the volatile solvent evaporates very quickly and enables the creation of a thin, homogeneous matrix layer. A solution with analyte molecules is then applied to the thin matrix layer, which partially redissolves it and the analyte molecules are incorporated into the matrix during the subsequent drying process. While a homogeneous MALDI- Sample with microcrystals is created, larger crystals form in the "Dried Droplet" preparation and the surface of the MALDI sample shows a pronounced morphology with different sample thicknesses.
Bei den physikalischen Parametern des MALDI-Prozesses sind bisher vornehmlich die zeitliche Dauer der Laserpulse, die Intensität im Laserfokus und die Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung betrachtet worden.In terms of the physical parameters of the MALDI process, the duration of the laser pulses, the intensity in the laser focus and the wavelength of the pulsed laser radiation have so far been considered.
Für kommerziell verfügbare Massenspektrometer mit MALDI werden heutzutage überwiegend gepulste Lasersysteme im ultravioletten Spektralbereich (UV) verwendet. Dafür stehen verschiedene Lasertypen und Wellenlängen zur Auswahl: Stickstofflaser (λ=337nm), Excimerlaser (λ=193nm, 248nm, 308nm), Nd:YLF Laser (λ=349nm) und Nd:YAG Laser (λ=266nm, 355nm), wobei für das MALDI-Verfahren kommerziell nur der Stickstofflaser und der Nd:YAG Laser bei der Wellenlänge 355 Nanometer von Bedeutung sind und der Stickstofflaser mit großem Abstand am häufigsten eingesetzt wird. Das Lasermedium des Stickstofflasers ist ein Gas, während es beim Nd:YAG Laser ein mit Neodym Ionen dotierter YAG-Kristall (Yttrium-Aluminium-Granat: Y3Al5O12) ist. Beim Nd:YAG Laser wird die stärkste Laserlinie, die bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometern liegt, in nichtlinearen optischen Kristallen in die angegebenen Wellenlängen umgewandelt. Die Dauer der im MALDI-Verfahren verwendeten Laserpulse beträgt im UV typischerweise zwischen 1 und 20 Nanosekunden, es sind aber im akademischen Bereich auch Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden eingesetzt worden.For commercially available mass spectrometers with MALDI, pulsed laser systems in the ultraviolet spectral range (UV) are predominantly used nowadays. There are different laser types and wavelengths to choose from: nitrogen laser (λ = 337nm), excimer laser (λ = 193nm, 248nm, 308nm), Nd: YLF laser (λ = 349nm) and Nd: YAG laser (λ = 266nm, 355nm), where For the MALDI process, only the nitrogen laser and the Nd: YAG laser at a wavelength of 355 nanometers are commercially important and the nitrogen laser is used most frequently by a large margin. The laser medium of the nitrogen laser is a gas, while the Nd: YAG laser is a YAG crystal (yttrium aluminum garnet: Y 3 Al 5 O 12 ) doped with neodymium ions. With the Nd: YAG laser, the strongest laser line, which is at a wavelength of 1064 nanometers, is converted into the specified wavelengths in non-linear optical crystals. The duration of the laser pulses used in the MALDI method is typically between 1 and 20 nanoseconds in the UV, but pulse durations in the picosecond range have also been used in academia.
Für das MALDI-Verfahren werden zu Forschungszwecken gelegentlich auch Lasersysteme eingesetzt, die im infraroten Spektralbereich (IR) emittieren: Er:YAG (λ=2.94µm) und CO2 (λ=10.6µm). Während beim UV-MALDI-Verfahren den Matrixmolekülen über angeregte elektronische Zustände Energie zugeführt wird, werden im IR-MALDI-Verfahren Molekülschwingungen der Matrixmoleküle angeregt. Die Pulsdauer der IR-Lasersysteme im IR-MALDI-Verfahren beträgt zwischen 6 und 200 Nanosekunden. Im Gegensatz zum UV-MALDI-Verfahren werden im IR-MALDI-Verfahren neben festen Matrizes auch flüssige Matrizes verwendet, wie zum Beispiel Glycerin.For research purposes, laser systems that emit in the infrared spectral range (IR) are occasionally used for the MALDI process: Er: YAG (λ = 2.94 µm) and CO2 (λ = 10.6 µm). While in the UV-MALDI process energy is supplied to the matrix molecules via excited electronic states, in the IR-MALDI process molecular vibrations of the matrix molecules are excited. The pulse duration of the IR laser systems in the IR-MALDI process is between 6 and 200 nanoseconds. In contrast to the UV-MALDI process, the IR-MALDI process uses not only solid matrices but also liquid matrices, such as glycerine.
Im MALDI-Verfahren eingesetzte Lasersysteme unterscheiden sich nicht nur in der Wellenlänge, sondern auch in ihrem räumlichen Strahlprofil. Bei Festkörperlasern, wie zum Beispiel dem Nd:YAG LAser oder dem Er:YAG Laser, ist das Lasermedium ein mit Ionen dotierter Kristall. Das Lasermedium befindet sich in einem optischen Resonator, der dafür sorgt, dass das räumliche Strahlprofil aus einer transversalen Grundmode oder wenigen transversalen Strahlmoden besteht. Die radiale Intensitätsverteilung der transversalen Grundmode entspricht einer Gaußfunktion und ist zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung rotationssymmetrisch. Ein solcher Laserstrahl kann auf einen nur durch die Beugung begrenzten minimalen Durchmesser fokussiert werden.Laser systems used in the MALDI process differ not only in terms of their wavelength, but also in terms of their spatial beam profile. In solid-state lasers, such as the Nd: YAG LAser or the Er: YAG laser, the laser medium is a crystal doped with ions. The laser medium is located in an optical resonator, which ensures that the spatial beam profile consists of a basic transverse mode or a few transverse beam modes. The radial intensity distribution of the transverse fundamental mode corresponds to a Gaussian function and is rotationally symmetrical to the direction of propagation of the laser radiation. Such a laser beam can be focused on a minimal diameter limited only by the diffraction.
Der Stickstofflaser bei einer Wellenlänge von 337 Nanometer ist der mit Abstand am häufigsten im MALDI-Verfahren verwendete Lasertyp, wobei diese Wellenlänge die intensivste Laserlinie des Stickstofflasers ist. Als Lasermedium wird gasförmiger Stickstoff verwendet, der durch eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden angeregt wird. Da die intensivste Laserlinie eine hohe Verstärkung aufweist, kann ein Laserpuls die Besetzungsinversion der Energiezustände bereits dann abbauen, wenn er die Elektroden nur einmal durchläuft. Selbst bei Verwendung von Resonatorspiegeln überlagern sich im Strahlprofil des Stickstofflasers viele transversale Strahlmoden, wodurch der minimale Durchmesser eines Laserfokus von kommerziellen Stickstofflasern bei einer Wellenlänge von 337 Nanometer nur etwa drei Mikrometer beträgt. Der typische Durchmesser der in MALDI-Anwendungen bestrahlten Fläche beträgt etwa 20 bis 200 Mikrometer. Das Strahlprofil des Stickstofflasers hat an den Elektroden ein nahezu rechteckförmiges Plateau (im Englischen „flat top“), wobei die Breite und die Höhe des Strahlprofils durch den Abstand bzw. die Höhe der Entladungselektroden bestimmt werden. Die Wiederholfrequenz der Laserpulse im Stickstofflaser ist auf etwa 100 Hertz begrenzt, wenn nicht für einen schnellen Gasaustausch gesorgt wird. Für MALDI-Anwendungen werden Stickstofflaser mit einer typischen Wiederholfrequenz von 50 Hertz eingesetzt.The nitrogen laser with a wavelength of 337 nanometers is by far the most frequently used laser type in the MALDI process, and this wavelength is the most intense laser line of the nitrogen laser. Gaseous nitrogen, which is excited by an electrical discharge between two electrodes, is used as the laser medium. Since the most intense laser line has a high gain, a laser pulse can already reduce the population inversion of the energy states if it only passes through the electrodes once. Even when using resonator mirrors, many transverse beam modes are superimposed in the beam profile of the nitrogen laser, so that the minimum diameter of a laser focus of commercial nitrogen lasers at a wavelength of 337 nanometers is only about three micrometers. The typical diameter of the area irradiated in MALDI applications is around 20 to 200 micrometers. The beam profile of the nitrogen laser has an almost rectangular plateau on the electrodes (in English "flat top"), with the width and height of the beam profile being determined by the distance or height of the discharge electrodes. The repetition frequency of the laser pulses in the nitrogen laser is limited to around 100 Hertz if a rapid gas exchange is not ensured. For MALDI applications, nitrogen lasers with a typical repetition frequency of 50 Hertz are used.
Die elektrische Gasentladung im Stickstofflaser ist in der Praxis nicht an jedem Punkt zwischen den Elektroden gleich und erzeugt ein räumlich inhomogenes Verstärkungsprofil, das sich bei der kurzen Dauer der Lasertätigkeit nicht ausgleicht, sondern auf das Strahlprofil des Stickstofflasers überträgt. Der Stickstofflaser hat somit ein räumlich moduliertes plateauförmiges Strahlprofil mit Intensitätsmaxima und -minima, das auf die Probe abgebildet oder auf diese fokussiert wird. Diese im Strahlprofil immanent vorhandenen Inhomogenitäten des Stickstofflasers führen dazu, dass die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der Probe räumlich moduliert ist und immer eine Vielzahl von Intensitätsspitzen aufweist.In practice, the electrical gas discharge in the nitrogen laser is not the same at every point between the electrodes and creates a spatially inhomogeneous amplification profile that does not even out during the short duration of the laser activity, but transfers to the beam profile of the nitrogen laser. The nitrogen laser thus has a spatially modulated plateau-shaped beam profile with intensity maxima and minima, which is imaged or focused on the sample. These inhomogeneities of the nitrogen laser that are inherent in the beam profile mean that the intensity distribution of the laser radiation on the sample is spatially modulated and always has a large number of intensity peaks.
Die bisher im MALDI-Verfahren eingesetzten gepulsten Festkörperlaser weisen meist ein Strahlprofil auf, das einer einzigen gaußförmigen Strahlmode sehr nahe kommt. Wird ein gepulster Laserstrahl auf die Probe fokussiert oder abgebildet, so ergibt sich am Ort der Probe eine gaußförmige Intensitätsverteilung mit einer einzigen Intensitätsspitze. Die Breite einer Intensitätsspitze wird in der Regel durch die so genannte Halbwertsbreite angegeben. Im Bereich der Halbwertsbreite ist die Intensität größer als die halbe maximale Intensität der Intensitätsspitze. Die Halbwertsbreite kann bei den Festkörperlasern im UV theoretisch weniger als einen Mikrometer betragen, liegt aber in MALDI-Anwendungen typischerweise zwischen 20 und 200 Mikrometer. Auch wenn bei Festkörperlasern prinzipiell Wiederholfrequenzen der Laserpulse von einigen hundert Kilohertz möglich sind, wird derzeit in den meisten MALDI-Anwendungen mit einer Wiederholfrequenz bis zu 200 Hertz gearbeitet. Die Energieschwankungen von Laserpuls zu Laserpuls sind bei Festkörperlasern typischerweise kleiner als beim Stickstofflaser.The pulsed solid-state lasers used to date in the MALDI process mostly have a beam profile that comes very close to a single Gaussian beam mode. If a pulsed laser beam is focused or imaged on the sample, a Gaussian intensity distribution with a single intensity peak results at the location of the sample. The The width of an intensity peak is usually indicated by the so-called half-width. In the area of the half-width, the intensity is greater than half the maximum intensity of the intensity peak. The half-width for solid-state lasers in the UV can theoretically be less than one micrometer, but in MALDI applications it is typically between 20 and 200 micrometers. Even if, in principle, repetition frequencies of the laser pulses of a few hundred kilohertz are possible with solid-state lasers, most MALDI applications currently work with a repetition frequency of up to 200 Hertz. The energy fluctuations from laser pulse to laser pulse are typically smaller with solid-state lasers than with nitrogen lasers.
Nach dem Stand der Technik wird auf der Probe oft eine räumlich homogene Intensitätsverteilung angestrebt, um die Inhomogenitäten der präparierten MALDI-Probe, wie zum Beispiel bei einer ungleichmäßigen Einlagerung der Analytmoleküle in die Matrix, herauszumitteln. Um bei einem gaußförmigen Strahlprofil eines Festkörperlasers eine homogene Intensitätsverteilung auf der Probe zu erhalten, kann das Strahlprofil durch die Ausbreitung in einer Faser räumlich homogenisiert und danach auf die Probe abgebildet werden. Der Laserstrahl wird dazu in eine Faser eingekoppelt, in der eine Vielzahl von transversalen Fasermoden mit unterschiedlichen radialen Intensitätsverteilungen ausbreitungsfähig ist (Multimodefaser). Durch die Ausbreitung des eingekoppelten Laserstrahls in der Multimodefaser wird Energie aus der gaußförmigen Strahlmode in viele transversale Fasermoden übertragen, die sich am Ausgang der Faser überlagern. Falls die zeitliche Kohärenz der verwendeten Laserstrahlung hinreichend klein bzw. die Multimodefaser hinreichend lang ist, ergibt sich die Intensitätsverteilung am Faserausgang aus der Summe der Intensitätsverteilungen der einzelnen transversalen Fasermoden. Durch die Vielzahl von transversalen Fasermoden mit unterschiedlichen radialen Intensitätsprofilen ergibt sich somit am Faserausgang eine homogene Intensitätsverteilung. Wird nun der Ausgang der Multimodefaser abgebildet, erhält man auch auf der Probe eine plateauförmige Intensitätsverteilung. Dieses Verfahren zur Homogenisierung des Strahlprofils wird auch beim Stickstofflaser verwendet, um die immanenten Inhomogenitäten im Strahlprofil zu minimieren.According to the prior art, a spatially homogeneous intensity distribution is often sought on the sample in order to average out the inhomogeneities of the prepared MALDI sample, such as, for example, in the case of uneven storage of the analyte molecules in the matrix. In order to obtain a homogeneous intensity distribution on the sample with a Gaussian beam profile of a solid-state laser, the beam profile can be spatially homogenized by the propagation in a fiber and then mapped onto the sample. For this purpose, the laser beam is coupled into a fiber in which a large number of transverse fiber modes with different radial intensity distributions can propagate (multimode fiber). As the coupled laser beam propagates in the multimode fiber, energy is transferred from the Gaussian beam mode into many transverse fiber modes that are superimposed at the fiber exit. If the temporal coherence of the laser radiation used is sufficiently small or the multimode fiber is sufficiently long, the intensity distribution at the fiber output results from the sum of the intensity distributions of the individual transverse fiber modes. The large number of transverse fiber modes with different radial intensity profiles thus results in a homogeneous intensity distribution at the fiber exit. If the output of the multimode fiber is now mapped, a plateau-shaped intensity distribution is also obtained on the sample. This method of homogenizing the beam profile is also used with nitrogen lasers in order to minimize the inherent inhomogeneities in the beam profile.
Die Güte einer massenspektrometrischen Analyse wird allgemein durch die folgenden Kenngrößen festgelegt: die Massengenauigkeit, die Massenauflösung, das Nachweisvermögen, die quantitative Reproduzierbarkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis. Dabei erhöht sich die Güte einer massenspektrometrischen Analyse, wenn mindestens eine Kenngröße verbessert wird und die anderen Kenngrößen dadurch nicht verschlechtert werden. Die Massengenauigkeit umfasst sowohl eine systematische Abweichung der gemessenen mittleren Ionenmasse zur wahren Ionenmasse (Massenrichtigkeit oder besser Massenunrichtigkeit) als auch die statistische Streuung der einzelnen Messwerte um den Mittelwert der Ionenmasse (Massenpräzision). Aus der Massenauflösung ergibt sich, welche Ionenmassen in der massenspektrometrischen Analyse noch unterschieden werden können. In der Praxis ist allerdings nicht nur die Güte, sondern auch die Robustheit der massenspektrometrischen Analyse wichtig. Eine massenspektrometrische Analyse ist dann robust, wenn sich deren Güte bei einer Variation der Messparameter, wie zum Beispiel der Energie der Laserpulse oder der Präparationsbedingungen der MALDI-Probe, wenig ändert.The quality of a mass spectrometric analysis is generally determined by the following parameters: the mass accuracy, the mass resolution, the detection capability, the quantitative reproducibility and the signal-to-noise ratio. The quality of a mass spectrometric analysis increases if at least one parameter is improved and the other parameters are not impaired as a result. The mass accuracy includes both a systematic deviation of the measured mean ion mass from the true ion mass (mass accuracy or, better, mass inaccuracy) as well as the statistical spread of the individual measured values around the mean value of the ion mass (mass precision). The mass resolution shows which ion masses can still be differentiated in the mass spectrometric analysis. In practice, however, not only the quality but also the robustness of the mass spectrometric analysis is important. A mass spectrometric analysis is robust if its quality changes little when the measurement parameters vary, such as the energy of the laser pulses or the preparation conditions of the MALDI sample.
Das Ionensignal eines Massenspektrometers mit MALDI ist proportional zur Ionisationseffizienz, zum desorbierten Probenvolumen und zur Konzentration der Analytmoleküle in der Probe. Die Ionisationseffizienz ergibt sich aus der Anzahl der auswertbaren Analytionen dividiert durch die Anzahl der Analytmoleküle im desorbierten Probenvolumen, d.h., wie viel Prozent der Analytmoleküle aus dem durch die Laserbestrahlung abgetragenen Probenvolumen einer massenspektrometrischen Analyse als Ionen zur Verfügung stehen. Für den Fall, dass Analytmoleküle schon vor dem Desorptionsvorgang in der Matrix ionisiert vorliegen, erhöht sich die Anzahl der Analytmoleküle um die Anzahl der schon ionisiert vorliegenden Analytionen. Da das desorbierte Probenvolumen durch die bestrahlte Probenfläche und durch die Fluenz relativ leicht erhöht werden kann, stellt die Ionisationseffizienz einen wichtigen Parameter zur Optimierung des MALDI-Prozesses dar. Eine hohe Ionisationseffizienz ermöglicht ein hohes Nachweisvermögen, da ein maximales Ionensignal bei geringer Konzentration (oder bei geringem Probenverbrauch) erzielt wird. Bei einem typischen Ionisationsgrad von nur 10-4 besteht die Möglichkeit, den MALDI-Prozess erheblich zu verbessern. Die Definition der Ionisationseffizienz des MALDI-Prozesses berücksichtigt auch die Verluste, die durch eine Fragmentierung von Analytmolekülen bei der Überführung in die Gasphase entstehen und somit die Anzahl der auswertbaren Analytionen reduzieren.The ion signal of a mass spectrometer with MALDI is proportional to the ionization efficiency, the desorbed sample volume and the concentration of the analyte molecules in the sample. The ionization efficiency results from the number of analyte ions that can be evaluated divided by the number of analyte molecules in the desorbed sample volume, i.e. what percentage of the analyte molecules from the sample volume removed by the laser irradiation are available as ions for a mass spectrometric analysis. In the event that analyte molecules are already ionized in the matrix before the desorption process, the number of analyte molecules increases by the number of analyte ions already ionized. Since the desorbed sample volume can be increased relatively easily by the irradiated sample area and by the fluence, the ionization efficiency is an important parameter for optimizing the MALDI process low sample consumption). With a typical degree of ionization of only 10 -4 there is the possibility of considerably improving the MALDI process. The definition of the ionization efficiency of the MALDI process also takes into account the losses that occur due to the fragmentation of analyte molecules during transfer into the gas phase and thus reduce the number of analyte ions that can be evaluated.
Für die massenspetrometrische Analyse der im MALDI-Prozess erzeugten Analytionen kommen im Prinzip sowohl klassische Sektorfeld-Massenspektrometer und Quadrupol-Massenspektrometer wie auch Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer und Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer in Frage. Besonders geeignet sind aber Flugzeitmassenspektrometer mit axialem Einschuss, die für die Messung der Flugzeit (TOF, Abkürzung für „Time Of Flight“) einen gepulsten Ionenstrom benötigen. Der Zeitpunkt für den Start der Flugzeitmessung wird dabei durch den ionisierenden Laserpuls vorgegeben. Der MALDI-Prozess ist ursprünglich für den Einsatz im Vakuum entwickelt worden. In neueren Entwicklungen wird die matrixunterstützte Laserdesorption/Ionisation ebenfalls bei Atmosphärendruck verwendet (AP MALDI, Abkürzung für „Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization“). Hier werden die Ionen mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 2 Kilohertz erzeugt und mit Hilfe eines Ionenleitsystems einem Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Einschuss (OTOF, Abkürzung für „Orthogonal Time Of Flight“), einem Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer oder einem Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer zugeführt. In einem OTOF Massenspektrometer können die im MALDI-Prozess erzeugten Ionen fragmentiert und gespeichert werden, bevor die Messung der Flugzeit mit einer elektronischen Auspulsung gestartet wird.In principle, classical sector field mass spectrometers and quadrupole mass spectrometers as well as quadrupole ion trap mass spectrometers and ion cyclotron resonance mass spectrometers can be used for the mass spectrometric analysis of the analyte ions generated in the MALDI process. However, time-of-flight mass spectrometers with axial insertion are particularly suitable, since they require a pulsed ion current to measure the time of flight (TOF, abbreviation for "Time Of Flight"). The time for the start of the time-of-flight measurement is specified by the ionizing laser pulse. The MALDI process is originally for has been developed for use in a vacuum. In more recent developments, matrix-assisted laser desorption / ionization is also used at atmospheric pressure (AP MALDI, abbreviation for "Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization"). Here the ions are generated with a repetition frequency of up to 2 kilohertz and with the help of an ion guide system, a time-of-flight mass spectrometer with orthogonal injection (OTOF, abbreviation for "Orthogonal Time Of Flight"), a quadrupole ion trap mass spectrometer or an ion cyclotron resonance Mass spectrometer supplied. In an OTOF mass spectrometer, the ions generated in the MALDI process can be fragmented and stored before the measurement of the flight time is started with an electronic pulse.
Bei speziellen Analyseverfahren wird die Intensität auf der Probe so weit erhöht, dass die erzeugten Ionen hinreichend viel innere Energie aufweisen, um zu dissoziieren. Je nach der zeitlichen Dauer zwischen der Erzeugung der Ionen und ihrer Dissoziation spricht man von einem Zerfall innerhalb der Ionenquelle (ISD, Abkürzung für „In Source Decay“) oder außerhalb der Ionenquelle (PSD, Abkürzung für „Post Source Decay“).With special analysis methods, the intensity on the sample is increased to such an extent that the generated ions have enough internal energy to dissociate. Depending on the length of time between the generation of the ions and their dissociation, one speaks of a decay within the ion source (ISD, abbreviation for "In Source Decay") or outside the ion source (PSD, abbreviation for "Post Source Decay").
Es gibt des Weiteren auch bildgebende massenspektrometrische Analyseverfahren (IMS, Abkürzung für „Imaging Mass Spectrometry“), in denen der MALDI-Prozess zur Erzeugung der Ionen verwendet wird. Bei der IMS wird ein dünner Gewebeschnitt, der beispielsweise mit einem Mikrotom aus dem Organ eines Menschen gewonnen wird, mit einer Matrixsubstanz präpariert und räumlich aufgelöst massenspektrometrisch untersucht. Die räumliche Auflösung der massenspektrometrischen Untersuchung kann entweder durch das Abrastern einzelner kleiner Punkte des Gewebeschnittes oder durch eine stigmatische Abbildung der erzeugten Ionen erfolgen. Beim Rasterverfahren wird der gepulste Laserstrahl auf einen kleinen Durchmesser auf der Probe fokussiert, wobei ein Massenspektrum für jeden einzelnen Rasterpunkt gemessen wird. Aus der Vielzahl der einzelnen räumlich aufgelösten Massenspektren wird eine ein- oder zweidimensionale Häufigkeitsverteilung für einzelne Proteine erstellt. Bei der stigmatischen Abbildung wird eine Fläche von bis zu 200 mal 200 Mikrometer homogen mit einem Laserpuls bestrahlt. Die dabei erzeugten Ionen werden Punkt für Punkt ionenoptisch auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet. Bisher kann mit einem einzelnen Laserpuls nur die Häufigkeitsverteilung einer Ionenmasse aufgenommen werden, da es keine hinreichend schnellen ortsauflösenden Ionendetektoren gibt. Allerdings kann die gemessene Ionenmasse von Laserpuls zu Laserpuls variiert werden.There are also imaging mass spectrometric analysis methods (IMS, abbreviation for "Imaging Mass Spectrometry") in which the MALDI process is used to generate the ions. In the IMS, a thin tissue section, which is obtained from a human organ with a microtome, for example, is prepared with a matrix substance and examined spatially resolved by mass spectrometry. The spatial resolution of the mass spectrometric examination can be achieved either by scanning individual small points of the tissue section or by stigmatic imaging of the generated ions. In the scanning process, the pulsed laser beam is focused on a small diameter on the sample, with a mass spectrum being measured for each individual scanning point. A one- or two-dimensional frequency distribution for individual proteins is created from the large number of individual, spatially resolved mass spectra. With stigmatic imaging, an area of up to 200 by 200 micrometers is homogeneously irradiated with a laser pulse. The ions generated in the process are imaged point by point on a spatially resolving detector. So far, only the frequency distribution of an ion mass can be recorded with a single laser pulse, since there are no sufficiently fast spatially resolving ion detectors. However, the measured ion mass can be varied from laser pulse to laser pulse.
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Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasersystem für die Ionisation einer Probe durch matrixunterstützte Laserdesorption in der massenspektrometrischen Analyse bereitzustellen, das bei unterschiedlichen chemischen Parametern, Analyseverfahren und Massenspektrometern eine hohe Güte und Robustheit der massenspektrometrischen Analyse gewährleistet, und zwar insbesondere bei unterschiedlichen Probenpräparationen und bildgebenden massenspektrometrischen Analyseverfahren.It is the object of the present invention to provide a laser system for the ionization of a sample by matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis, which ensures a high quality and robustness of the mass spectrometric analysis with different chemical parameters, analysis methods and mass spectrometers, in particular with different sample preparations and imaging mass spectrometric analysis methods.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Aufgabe wird durch ein Lasersystem gemäß dem angehängten Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausformungen des Lasersystems finden sich in den angehängten Unteransprüchen 2, 3 und 4.The object is achieved by a laser system according to the attached
Der vorliegenden Erfindung liegt die weit reichende Erkenntnis zugrunde, dass die Güte und die Robustheit der massenspektrometrischen Analyse von Ionen, die mit dem MALDI-Verfahren erzeugt werden, bei unterschiedlichen chemischen Parametern (z.B. Probenpräparationen), Analyseverfahren und Massenspektrometern wesentlich von der Intensitätsverteilung auf der MALDI-Probe bestimmt werden. Ein erfindungsgemäßes Lasersystem ist deshalb so einstellbar, dass die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der MALDI-Probe in einer Einstellung aus einer einzelnen Intensitätsspitze und in einer anderen Einstellung aus einer Vielzahl von Intensitätsspitzen besteht. Ferner ist mit einem erfindungsgemäßen Lasersystem die Halbwertsbreite oder die Intensität der einzelnen Intensitätsspitze oder beides einstellbar. Unter einer Vielzahl von Intensitätsspitzen sind mindestens zwei Intensitätsspitzen zu verstehen, die mit einem erfindungsgemäßen Lasersystem alle oder teilweise bezüglich der Halbwertsbreite, der Intensität, der räumlichen Anordnung und/oder des räumlichen Modulationsgrades eingestellt werden können. Auch die Anzahl der Intensitätsspitzen kann mit einem erfindungsgemäßen Lasersystem verändert werden.The present invention is based on the far-reaching knowledge that the quality and robustness of the mass spectrometric analysis of ions generated with the MALDI method, with different chemical parameters (e.g. sample preparations), analysis methods and mass spectrometers, largely depend on the intensity distribution on the MALDI -Sample to be determined. A laser system according to the invention can therefore be adjusted in such a way that the intensity distribution of the laser radiation on the MALDI sample consists of a single intensity peak in one setting and a plurality of intensity peaks in another setting. Furthermore, with a laser system according to the invention, the half-width or the intensity of the individual intensity peaks or both can be set. There are at least two intensity peaks among a large number of intensity peaks understand which can be adjusted with a laser system according to the invention all or in part with respect to the half-width, the intensity, the spatial arrangement and / or the spatial degree of modulation. The number of intensity peaks can also be changed with a laser system according to the invention.
Im völligen Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik hat sich gezeigt, dass eine Intensitätsverteilung mit einer Vielzahl von feinen Intensitätsspitzen vorteilhaft für die Güte und Robustheit der massenspektrometrischen Analyse ist, wenn die MALDI-Proben mit der Dünnschichtpräparation hergestellt werden. Werden die Analytionen dabei insbesondere in einem Flugzeitmassenspektrometer mit axialem Einschuss analysiert, können die Ionisationseffizienz, die Massenauflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber einer räumlich homogenen Intensitätsverteilung und einer Intensitätsverteilung mit nur einer einzelnen groben Intensitätsspitze deutlich gesteigert werden. Bei der Probenpräparation nach dem Dried-Droplet-Verfahren hingegen kann überraschenderweise eine Intensitätsverteilung mit einer einzigen relativ groben Intensitätsspitze Vorteile gegenüber einer Intensitätsverteilung mit vielen feinen Intensitätsspitzen aufweisen.In complete contrast to the previous state of the art, it has been shown that an intensity distribution with a large number of fine intensity peaks is advantageous for the quality and robustness of the mass spectrometric analysis when the MALDI samples are produced with the thin-layer preparation. If the analyte ions are analyzed in particular in a time-of-flight mass spectrometer with an axial injection, the ionization efficiency, the mass resolution and the signal-to-noise ratio can be significantly increased compared to a spatially homogeneous intensity distribution and an intensity distribution with only a single, coarse intensity peak. In the case of sample preparation according to the third-droplet method, on the other hand, an intensity distribution with a single, relatively coarse intensity peak can surprisingly have advantages over an intensity distribution with many fine intensity peaks.
Insbesondere bei den beiden bildgebenden massenspektrometrischen Analyseverfahren sind unterschiedliche Intensitätsverteilungen vorteilhaft. Um im Rasterverfahren eine hohe Ortsauflösung in der massenspektroskopischen Analyse zu erzielen, sollte die Intensitätsverteilung auf der Probe aus einer einzelnen feinen Intensitätsspitze mit geringer Halbwertsbreite bestehen. Eine Vielzahl von feinen Intensitätsspitzen kann wiederum die stigmatische Abbildung begünstigen, da bei der Dünnschichtpräparation durch eine optimierte Ionisationseffizienz die Anzahl der auf der bestrahlten Fläche erzeugten Analytionen erhöht wird. Sind zudem die Positionen der Intensitätsspitzen auf der Probe bekannt, kann das ortsaufgelöste Detektorsignal in einfacher Weise einem Ort auf der Probe zugeordnet werden.In particular, with the two imaging mass spectrometric analysis methods, different intensity distributions are advantageous. In order to achieve a high spatial resolution in the mass spectroscopic analysis using the scanning method, the intensity distribution on the sample should consist of a single fine intensity peak with a small half-width. A large number of fine intensity peaks can in turn favor stigmatic imaging, since in thin-layer preparation the number of analyte ions generated on the irradiated surface is increased through optimized ionization efficiency. If the positions of the intensity peaks on the sample are also known, the spatially resolved detector signal can easily be assigned to a location on the sample.
Ein erfindungsgemäßes Lasersystem besteht im Allgemeinen aus einem Lasermedium, einer Energiezufuhr zur Anregung der Lasertätigkeit, einem optischen Resonator sowie optischen und elektrooptischen Komponenten zur räumlichen und zeitlichen Modulation der Laserstrahlung. Unter einem Lasersystem wird im Folgenden der gesamte Aufbau aus optischen, elektrischen und elektrooptischen Komponenten verstanden, die für die Erzeugung und Modulation der Laserstrahlung vom Lasermedium bis zum Ort der MALDI-Probe notwendig sind. Die Komponenten zur räumlichen Modulation der Laserstrahlung können sich dabei sowohl innerhalb des optischen Resonators nahe am Lasermedium als auch außerhalb des optischen Resonators befinden. Beispiele für derartige Komponenten sind Linsen, Linsenarrays aus einer Vielzahl von Linsen, Spiegel, aktive Güteschalter zur Pulserzeugung, diffraktive optische Elemente (z.B. Gitter) und nichtlineare optische Kristalle. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass nicht alle genannten Komponenten in einem erfindungsgemäßen Lasersystem verwendet werden müssen und durch weitere Komponenten ergänzt werden können.A laser system according to the invention generally consists of a laser medium, an energy supply to excite the laser activity, an optical resonator and optical and electro-optical components for spatial and temporal modulation of the laser radiation. In the following, a laser system is understood to mean the entire structure of optical, electrical and electro-optical components that are necessary for generating and modulating the laser radiation from the laser medium to the location of the MALDI sample. The components for spatial modulation of the laser radiation can be located both inside the optical resonator close to the laser medium and outside the optical resonator. Examples of such components are lenses, lens arrays consisting of a large number of lenses, mirrors, active Q-switches for pulse generation, diffractive optical elements (e.g. grids) and non-linear optical crystals. It is clear to the person skilled in the art that not all components mentioned have to be used in a laser system according to the invention and that further components can be added.
Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik kann ein erfindungsgemäßes Lasersystem auf der MALDI-Probe ganz verschiedene Intensitätsverteilungen erzeugen, die bei den jeweiligen chemischen Parametern, Analyseverfahren und Massenspektrometern eine Optimierung der Güte und Robustheit der massenspektrometrischen Analyse ermöglichen. Die Intensitätsverteilung wird dabei entweder manuell oder durch eine Steuersoftware automatisch an die jeweiligen Bedingungen angepasst. Für den Fachmann ist natürlich ersichtlich, dass die Realisierung eines erfindungsgemäßen Lasersystems in vielfältigen Ausführungsformen möglich ist.In contrast to the previous state of the art, a laser system according to the invention can generate very different intensity distributions on the MALDI sample, which enable the quality and robustness of the mass spectrometric analysis to be optimized for the respective chemical parameters, analysis methods and mass spectrometers. The intensity distribution is adjusted either manually or automatically by a control software to the respective conditions. For the person skilled in the art it is of course evident that the implementation of a laser system according to the invention is possible in diverse embodiments.
Kurze Beschreibung der AbbildungenBrief description of the images
Die
Die
Die
Bevorzugte AusführungsformenPreferred Embodiments
Die
Die Linse (
Die Probe (
Das Linsenarray (
Zwischen den Intensitätsspitzen wird die Probe (
Wird im Lasersystem (
Des Weiteren kann das Linsenarray (
Die
In der
In der
In der
Um die Probe (
Eine sehr vorteilhafte Erweiterung der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass auch so genannte fraktale Talbotebenen nach der hinteren Fokusebene des Linsenarrays (
Die
Das Linsenarray (
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Abstand der beiden Linsen (
Mit dem Zoomobjektiv (
Wie in den ersten beiden Ausführungsformen kann die Probe (
Anstelle des Linsenarrays (
Mit der Kenntnis der Erfindung ist es dem Fachmann möglich, weitere Ausformungen von erfindungsgemäßen Lasersystemen zu entwerfen.With the knowledge of the invention, it is possible for the person skilled in the art to design further configurations of laser systems according to the invention.
Claims (4)
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