DE102005006125B4 - Laser system for the ionization of a sample through matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis - Google Patents

Laser system for the ionization of a sample through matrix-assisted laser desorption in mass spectrometric analysis Download PDF

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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 ( K. Dreisewerd, Chem Rev. 103 (2003), 395-425: „The Desorption Process in MALDI‟ ).The MALDI process is complex and is influenced by many factors, some of which are interdependent. Since the MALDI method was first published in 1988, many parameters have been investigated and varied. Nevertheless, the processes in the matrix and in the vaporization cloud that lead to the ionization of the analyte molecules are not yet fully understood and are still being intensively researched ( K. Dreisewerd, Chem Rev. 103 (2003), 395-425: "The Desorption Process in MALDI" ).

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.

Die Veröffentlichung der Patentanmeldung US 2003/0025074 A1 beschreibt ein Hochdurchsatz-Laser-Desorptions-/Ionisations-Massenspektrometer (LDI), das eine Ionenquelle mit einer Vielzahl von Lasern verwendet, die im Tandem auf eine oder mehrere Proben feuern, um die Rate zu erhöhen, mit der Ionenpakete in der Ionenquelle erzeugt werden.The publication of the patent application US 2003/0025074 A1 describes a high throughput laser desorption / ionization mass spectrometer (LDI) that uses an ion source with a plurality of lasers that fire in tandem at one or more samples to increase the rate at which ion packets are generated in the ion source .

Die internationale Anmeldung WO 2005/079360 A2 offenbart eine Anordnung von optischen Vorrichtungen zur schnellen Strukturierung von Laserprofilen, die für Desorptions- und/oder Ionisationsquellen in der analytischen Massenspektrometrie verwendet werden.The international application WO 2005/079360 A2 discloses an arrangement of optical devices for the rapid structuring of laser profiles which are used for desorption and / or ionization sources in analytical mass spectrometry.

Die Anmeldung DE 10 2004 044 196 A1 der Anmelderin beschreibt Lasersysteme für die MALDI-Ionisierung, die Laserstrahlen mit spezifischen Strahlprofilen für die Desorption erzeugen.Registration DE 10 2004 044 196 A1 the applicant describes laser systems for MALDI ionization that generate laser beams with specific beam profiles for desorption.

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 patent claim 1. Advantageous designs of the laser system can be found in the attached subclaims 2, 3 and 4.

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 zeigt ein Lasersystem, in dem sich ein Linsenarray und eine sphärische Linse senkrecht zur optischen Achse des Lasersystems bewegen lassen.The shows a laser system in which a lens array and a spherical lens can be moved perpendicular to the optical axis of the laser system.

Die bis zeigen ein Lasersystem, in dem sich eine sphärische Linse längs der optischen Achse bewegen lässt und dadurch verschiedene optische Ebenen hinter einem Linsenarray verkleinert auf die Probe abgebildet werden.The to show a laser system in which a spherical lens can be moved along the optical axis and, as a result, different optical planes behind a lens array are mapped onto the sample in a reduced size.

Die zeigt ein Lasersystem, in dem eine Vielzahl von parallelen Strahlenbündeln erzeugt wird, die alle unterschiedliche Richtungen zur optischen Achse aufweisen und von einer sphärischen Linse auf die Probe fokussiert werden.The shows a laser system in which a large number of parallel bundles of rays are generated, all of which have different directions to the optical axis and are focused on the sample by a spherical lens.

Bevorzugte AusführungsformenPreferred Embodiments

Die zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems (100). Die Lasereinheit (103) ist ein Nd:YLF Laser, der bei einer frequenzverdreifachten Wellenlänge von 349 Nanometer einen zeitlich gepulsten Laserstrahl erzeugt. Das aktive Lasermedium ist dabei ein mit Neodym Ionen dotierter (LiY1.0-xNdxF4)-Kristall. Die Laserpulse der gütegeschalteten Lasereinheit (203) haben eine Pulsdauer von etwa 10 Nanosekunden. Das räumliche Strahlprofil entspricht in guter Näherung einer einzigen gaußförmigen Strahlmode. Die Energie der Laserpulse kann mit einem in der Lasereinheit (103) integrierten Abschwächer eingestellt werden. Die Art des Lasermediums und die von der Lasereinheit (103) erzeugte Wellenlänge sind für alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich; es können alle für den MALDI-Prozess geeigneten Wellenlängen gleichermaßen verwendet werden.The shows a first preferred embodiment of a laser system according to the invention ( 100 ). The laser unit ( 103 ) is a Nd: YLF laser that generates a time-pulsed laser beam at a frequency tripled wavelength of 349 nanometers. The active laser medium is a (LiY 1.0-x Nd x F 4 ) crystal doped with neodymium ions. The laser pulses of the Q-switched laser unit ( 203 ) have a pulse duration of around 10 nanoseconds. The spatial beam profile corresponds to a good approximation of a single Gaussian beam mode. The energy of the laser pulses can be measured with one in the laser unit ( 103 ) integrated attenuator. The type of laser medium and that of the laser unit ( 103 ) generated wavelength are for all embodiments of the present invention are not essential; all wavelengths suitable for the MALDI process can be used equally.

Die Linse (106) und das Linsenarray (107) können nacheinander durch eine Mechanik so in den Strahlengang des Lasersystems (100) geschwenkt werden, dass die hinteren Fokusebenen der Linse (106) und des Linsenarrays (107) in der Ebene der Blende (108) liegen. Dabei bietet sich eine Art Revolvermechanik an, die aus der Mikroskopie für verschiedene Objektive bekannt ist. Das Linsenarray (107) und die Linse (106) erzeugen in der Ebene der Blende (108) eine räumliche Intensitätsverteilung, die aus einer Vielzahl von Intensitätsspitzen bzw. einer einzigen Intensitätsspitze besteht. Die Blende (108) wird durch die Linse (109) in die Zwischenbildebene (110) abgebildet, die wiederum durch die Linse (104) und den Umlenkspiegel (105) verkleinert auf die Probe (101) abgebildet wird. Der Abbildungsmaßstab beträgt typischerweise etwa 1:6. Die Verwendung der Zwischenbildebene (110) ist konstruktiv von Vorteil, da die mechanischen und optischen Elemente, die zur Erzeugung der verschiedenen Intensitätsverteilungen notwendig sind, im Abstand von der Probe im Strahlengang angeordnet werden können.The Lens ( 106 ) and the lens array ( 107 ) can one after the other through a mechanism in the beam path of the laser system ( 100 ) so that the rear focal planes of the lens ( 106 ) and the lens array ( 107 ) in the plane of the diaphragm ( 108 ) lie. A kind of turret mechanism is available, which is known from microscopy for various objectives. The lens array ( 107 ) and the lens ( 106 ) generate in the plane of the diaphragm ( 108 ) a spatial intensity distribution that consists of a large number of intensity peaks or a single intensity peak. The aperture ( 108 ) is through the lens ( 109 ) into the intermediate image level ( 110 ), which in turn through the lens ( 104 ) and the deflection mirror ( 105 ) reduced to the sample ( 101 ) is mapped. The image scale is typically around 1: 6. The use of the intermediate image plane ( 110 ) is structurally advantageous, since the mechanical and optical elements that are necessary to generate the various intensity distributions can be arranged at a distance from the sample in the beam path.

Die Probe (101) ist mit anderen nicht dargestellten Proben auf dem Probenträger (102) präpariert und enthält die in einer festen Matrix eingebauten Analytmoleküle. Wird die Schwellintensität für den MALDI-Prozess auf der Probe (101) überschritten, setzt die explosionsartige Verdampfung der Matrix ein. Die Analytmoleküle werden mit der Matrix in die Gasphase überführt und liegen in der Verdampfungswolke zu einem gewissen Anteil als Analytionen vor. Durch den Umlenkspiegel (105) wird das Lasersystem (100) räumlich von dem nicht dargestellten Massenspektrometer entkoppelt und dadurch die Überführung der im MALDI-Prozess erzeugten Ionen in das Massenspektrometer erleichtert.The sample ( 101 ) is with other samples not shown on the sample carrier ( 102 ) and contains the analyte molecules built into a solid matrix. If the swell intensity for the MALDI process on the sample ( 101 ) is exceeded, the explosive evaporation of the matrix begins. The analyte molecules are transferred into the gas phase with the matrix and are present in the vaporization cloud to a certain extent as analyte ions. Through the deflection mirror ( 105 ) the laser system ( 100 ) spatially decoupled from the mass spectrometer, not shown, and thereby facilitates the transfer of the ions generated in the MALDI process into the mass spectrometer.

Das Linsenarray (107) hat eine Grundfläche von 25 Quadratmillimeter, auf der in einem quadratischen Gitter sphärischen Linsen typischerweise in einem Abstand von 120 Mikrometer angeordnet sind. Jede einzelne Linse des Linsenarrays (107) hat eine Brennweite von etwa 10 Millimeter. Auf der Probe weisen die Intensitätsspitzen einen Abstand von 20 Mikrometer und eine Halbwertsbreite von 10 Mikrometer auf. Die einzelne Linse (106) hat eine Brennweite von 25 Millimeter und erzeugt auf der Probe eine einzelne Intensitätsspitze, die eine Halbwertsbreite von etwa einem Mikrometer aufweist.The lens array ( 107 ) has a base area of 25 square millimeters, on which spherical lenses are typically arranged at a distance of 120 micrometers in a square grid. Each individual lens of the lens array ( 107 ) has a focal length of around 10 millimeters. On the sample, the intensity peaks are 20 micrometers apart and have a half width of 10 micrometers. The single lens ( 106 ) has a focal length of 25 millimeters and generates a single intensity peak on the sample with a half-width of about one micrometer.

Zwischen den Intensitätsspitzen wird die Probe (101) möglicherweise nicht an allen Stellen gleichmäßig ionisiert. Um die Probe (101) mit einer Folge von Laserpulsen möglichst vollständig zu verbrauchen, kann es deshalb notwendig sein, die Lage der Intensitätsspitzen relativ zur Probe (101) zu verändern. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass während einer Folge von Laserpulsen der Umlenkspiegel (105) verkippt wird oder der Probenträger (102) bewegt wird. Auch eine Verschiebung der abbildenden Linse (109) senkrecht zur optischen Achse ist möglich.Between the intensity peaks, the sample ( 101 ) may not be ionized evenly at all points. To the sample ( 101 ) to be used as completely as possible with a series of laser pulses, it may therefore be necessary to determine the position of the intensity peaks relative to the sample ( 101 ) to change. This can be achieved, for example, by turning the deflecting mirror ( 105 ) is tilted or the sample carrier ( 102 ) is moved. A shift in the imaging lens ( 109 ) perpendicular to the optical axis is possible.

Wird im Lasersystem (100) anstelle der Linse (109) ein Zoomobjektiv verwendet, kann in vorteilhafter Weise der Abbildungsmaßstab zwischen den Blendenebenen (108) und (110) so eingestellt werden, dass Abstand zwischen den Blenden (108) und (110) erhalten bleibt. Durch einen variablen Abbildungsmaßstab können beispielsweise der Abstand zwischen den Intensitätsspitzen und die Halbwertsbreite der einzelnen Intensitätsspitze eingestellt werden. Die einzelne Intensitätsspitze kann stetig von einer feinen Intensitätsspitze mit einer Halbwertsbreite kleiner als 10 Mikrometer bis zu einer groben Intensitätsspitze mit einer Halbwertsbreite größer als 100 Mikrometer verändert werden.Is used in the laser system ( 100 ) instead of the lens ( 109 ) a zoom lens is used, the image scale between the diaphragm planes ( 108 ) and ( 110 ) must be set so that the distance between the panels ( 108 ) and ( 110 ) preserved. For example, the distance between the intensity peaks and the half-width of the individual intensity peaks can be set by means of a variable imaging scale. The individual intensity peak can be changed continuously from a fine intensity peak with a half-width less than 10 micrometers to a coarse intensity peak with a half-width greater than 100 micrometers.

Des Weiteren kann das Linsenarray (107) auch aus einer Vielzahl von Zylinderlinsen bestehen, die in der hinteren Fokusebene eine Vielzahl von Linienfokussen erzeugen. Die Linienfokusse lassen sich ebenfalls als Intensitätsspitzen auffassen, die allerdings längs und quer zum Linienfokus zwei unterschiedliche Halbwertsbreiten haben. Natürlich lassen sich neben der Linse (106) und dem Linsenarray (107) durch die gleiche Mechanik weitere Linsen oder Linsenarrays in den Strahlengang schwenken, so dass sich in der Blendenebene (108) und damit auf der Probe (101) mehr als zwei unterschiedliche Intensitätsverteilungen erzeugen lassen.Furthermore, the lens array ( 107 ) also consist of a large number of cylindrical lenses that generate a large number of line foci in the rear focal plane. The line foci can also be understood as intensity peaks, which, however, have two different half-widths along and across the line focus. Of course, in addition to the lens ( 106 ) and the lens array ( 107 ) swivel further lenses or lens arrays into the beam path using the same mechanism so that in the diaphragm plane ( 108 ) and thus on the test ( 101 ) generate more than two different intensity distributions.

Die bis zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems (200). Die Lasereinheit (203) besteht aus einem Nd:YAG Laser, der bei einer frequenzverdreifachten Wellenlänge von 355 Nanometer einen zeitlich gepulsten Laserstrahl erzeugt. Die Laserpulse der gütegeschalteten Lasereinheit (203) haben eine Pulsdauer von etwa 7 Nanosekunden. Das räumliche Strahlprofil entspricht nahezu einer gaußförmigen Strahlmode. Die Energie der Laserpulse kann mit einem in der Lasereinheit (203) integrierten Abschwächer eingestellt werden.The to show a second preferred embodiment of a laser system according to the invention ( 200 ). The laser unit ( 203 ) consists of a Nd: YAG laser that generates a time-pulsed laser beam at a frequency tripled wavelength of 355 nanometers. The laser pulses of the Q-switched laser unit ( 203 ) have a pulse duration of about 7 nanoseconds. The spatial beam profile corresponds almost to a Gaussian beam mode. The energy of the laser pulses can be measured with one in the laser unit ( 203 ) integrated attenuator.

In der erzeugt das Linsenarray (206) in der hinteren Fokusebene eine Vielzahl von Intensitätsspitzen. Das Linsenarray (206) besteht wie in der ersten Ausführungsform aus einer Vielzahl von sphärischen Linsen und weist ähnliche geometrische Parameter auf. Das gesamte Linsenarray (206) ist vollständig aus Quarzglas gefertigt. Die Linse (207) bildet die hintere Fokusebene des Linsenarrays (206) in einer 1: 1-Abbildung in die Zwischenbildebene (208) ab, die wiederum durch die Linse (204) achtfach verkleinert auf die Probe (201) abgebildet wird. Die einzelnen Fokusse des Linsenarrays (206) werden also verkleinert auf die Probe abgebildet; es entsteht dort eine Vielzahl von Intensitätsspitzen. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform bleibt das Linsenarray (206) immer in der gleichen optischen Ebene, während die Linse (207) in den bis längs der optischen Achse bewegt wird.In the generates the lens array ( 206 ) a multitude of intensity peaks in the rear focal plane. The lens array ( 206 ) consists, as in the first embodiment, of a multiplicity of spherical lenses and has similar geometric parameters. The entire lens array ( 206 ) is made entirely of quartz glass. The Lens ( 207 ) forms the rear focal plane of the lens array ( 206 ) in a 1: 1 mapping into the intermediate image plane ( 208 ) which in turn through the lens ( 204 ) eight times reduced to the sample ( 201 ) is mapped. The individual foci of the lens array ( 206 ) are thus mapped onto the sample in a reduced size; a multitude of intensity peaks arise there. In contrast to the first embodiment, the lens array remains ( 206 ) always in the same optical plane, while the lens ( 207 ) in the to is moved along the optical axis.

In der ist die Linse (207) so in Richtung der Zwischenbildebene (208) verschoben, dass die Ebene direkt hinter dem Linsenarray (206) verkleinert in die Zwischenbildebene (208) abgebildet wird. Da der Laserstrahl direkt hinter dem Linsenarray (206) abgebildet wird und das Linsenarray (206) eine geringe Dicke hat und transparent ist, entsteht in der Zwischenbildebene (208) ein verkleinertes Bild des Laserstrahls. Der Laserstrahl hat vor dem Linsenarray (206) einen Durchmesser von ungefähr einem Millimeter. Durch die beiden Linsen (204) und (207) wird auf der Probe eine einzelne Intensitätsspitze mit einer Halbwertsbreite von etwa 80 Mikrometer erzeugt. Wird die Linse (207) in Richtung des Linsenarrays (206) verschoben und diese vergrößert auf die Zwischenbildebene (208) abgebildet, entsteht auf der Probe (201) eine einzelne Intensitätsspitze mit einer Halbwertsbreite von etwa 200 Mikrometer.In the is the lens ( 207 ) so in the direction of the intermediate image plane ( 208 ) moved so that the plane directly behind the lens array ( 206 ) reduced to the intermediate image level ( 208 ) is mapped. Since the laser beam is directly behind the lens array ( 206 ) is imaged and the lens array ( 206 ) has a small thickness and is transparent, arises in the intermediate image plane ( 208 ) a reduced image of the laser beam. The laser beam has in front of the lens array ( 206 ) a diameter of about one millimeter. Through the two lenses ( 204 ) and ( 207 ) a single intensity peak with a half width of about 80 micrometers is generated on the sample. Will the lens ( 207 ) in the direction of the lens array ( 206 ) shifted and this enlarged to the intermediate image level ( 208 ) mapped, arises on the sample ( 201 ) a single intensity peak with a half width of about 200 micrometers.

In der befindet sich die Linse (207) in einfacher Brennweite vor der Zwischenbildebene (208) und fokussiert den Laserstrahl. Die Intensitätsverteilung in der Zwischenbildebene (208) weist neben einem dominierenden Hauptmaximum weitere Nebenmaxima auf. Die Nebenmaxima entstehen aufgrund der Beugung des Laserstrahls am Linsenarray (206). Das Hauptmaximum entspricht der nullten Beugungsordnung. Da das Linsenarray (206) relativ grobe Strukturen im Bereich von 100 Mikrometer aufweist, sind die Intensitäten der Nebenmaxima um Größenordnungen geringer als die Intensität des Hauptmaximums. Die Halbwertsbreite des Hauptmaximums in der Zwischenbildebene (208) beträgt etwa 5 Mikrometer. Aufgrund von Abbildungsfehlern und dem begrenzten Auflösungsvermögen hat das Hauptmaximum der Intensitätsverteilung auf der Probe (201) lediglich eine Halbwertsbreite von 3 Mikrometer. Die Intensitäten der Nebenmaxima sind auf der Probe (201) so gering, dass dort die Schwelle für den MALDI-Prozess nicht erreicht wird und somit der MALDI-Prozess nur im Bereich einer einzelnen feinen Intensitätsspitze stattfindet.In the is the lens ( 207 ) at a single focal length in front of the intermediate image plane ( 208 ) and focuses the laser beam. The intensity distribution in the intermediate image plane ( 208 ) has, in addition to a dominating main maximum, further secondary maxima. The secondary maxima arise due to the diffraction of the laser beam at the lens array ( 206 ). The main maximum corresponds to the zeroth diffraction order. Since the lens array ( 206 ) has relatively coarse structures in the range of 100 micrometers, the intensities of the secondary maxima are orders of magnitude lower than the intensity of the main maximum. The half width of the main maximum in the intermediate image plane ( 208 ) is about 5 microns. Due to imaging errors and the limited resolution, the main maximum of the intensity distribution on the sample ( 201 ) only a half width of 3 micrometers. The intensities of the secondary maxima are on the sample ( 201 ) so low that the threshold for the MALDI process is not reached there and thus the MALDI process only takes place in the area of a single fine intensity peak.

Um die Probe (201) auch zwischen den Intensitätsspitzen gleichmäßig aufzubrauchen, wird vorzugsweise das Linsenarray (206) gedreht, so dass die Positionen der Intensitätsspitzen auf der Probe (201) verändert werden. Die Probe (201) und weitere Proben auf dem Probenträger (202) können mit einer einzelnen Intensitätsspitze nacheinander räumlich abgerastert werden, indem der Probenträger (202) bewegt wird. Die feine Intensitätsspitze, die mit dem Lasersystem (200) in erzeugt wird, ist sehr gut geeignet, um im Rasterverfahren eine bildgebende massenspektrometrische Analyse mit hoher Ortsauflösung zu erreichen.To the sample ( 201 ) to be used evenly between the intensity peaks, the lens array ( 206 ) rotated so that the positions of the intensity peaks on the sample ( 201 ) to be changed. The sample ( 201 ) and further samples on the sample carrier ( 202 ) can be spatially scanned one after the other with a single intensity peak by placing the sample carrier ( 202 ) is moved. The fine intensity peak that is generated with the laser system ( 200 ) in is very well suited to achieve an imaging mass spectrometric analysis with high spatial resolution using the raster method.

Eine sehr vorteilhafte Erweiterung der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass auch so genannte fraktale Talbotebenen nach der hinteren Fokusebene des Linsenarrays (206) in die Zwischenbildebene (208) abgebildet werden. Der Talboteffekt tritt bei allen periodischen Strukturen auf und damit auch beim Linsenarray (206) ( K. Besold et al., Pure Appl. Opt. 6 (1997), 691-698: „Practical limitations of Talbot imaging with microlens arrays‟ ). Der Abstand zT der Talbotebene von der hinteren Fokusebene des Linsenarrays (206) ergibt sich aus dem Abstand p der periodisch angeordneten Linsen des Linsenarrays (206) und der Wellenlänge λ: zT = 2· p2/λ. In der Talbotebene treten Intensitätsspitzen auf, die wie die Linsenfokusse in der hinteren Fokusebene des Linsenarrays (206) angeordnet sind. Interessanterweise gibt es zwischen der hinteren Fokusebene und der Talbotebene auch fraktale Talbotebenen, in denen sich die Anzahl der Intensitätsspitzen vervielfacht und die Halbwertsbreite reduziert. Durch die Abbildung geeigneter fraktaler Talbotebenen kann also sogar der Abstand der Intensitätsspitzen auf der Probe (201) eingestellt werden. Insbesondere kann auch der räumliche Modulationsgrad der Intensitätsspitzen eingestellt werden, indem die fraktalen Talbotebenen nicht scharf abgebildet werden, wodurch die Intensität zwischen den Intensitätsspitzen nicht vollständig verschwindet.A very advantageous extension of the second embodiment is that so-called fractal Talbot planes also follow the rear focal plane of the lens array ( 206 ) into the intermediate image level ( 208 ) can be mapped. The Talbot effect occurs in all periodic structures and thus also in the lens array ( 206 ) ( K. Besold et al., Pure Appl. Opt. 6 (1997), 691-698: "Practical limitations of Talbot imaging with microlens arrays" ). The distance z T of the Talbot plane from the rear focal plane of the lens array ( 206 ) results from the distance p between the periodically arranged lenses of the lens array ( 206 ) and the wavelength λ: z T = 2 · p 2 / λ. Intensity peaks occur in the Talbot plane, which like the lens foci in the rear focal plane of the lens array ( 206 ) are arranged. Interestingly, there are also fractal Talbot planes between the rear focal plane and the Talbot plane, in which the number of intensity peaks is multiplied and the half width is reduced. By mapping suitable fractal Talbot planes, even the distance between the intensity peaks on the sample ( 201 ) can be set. In particular, the degree of spatial modulation of the intensity peaks can also be set in that the fractal Talbot planes are not sharply imaged, as a result of which the intensity between the intensity peaks does not completely disappear.

Die zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems (300). Die Lasereinheit (303) ist hier wieder ein Nd:YAG Laser, der bei einer frequenzverdreifachten Wellenlänge von 355 Nanometer einen zeitlich gepulsten Laserstrahl erzeugt. Das räumliche Strahlprofil entspricht nahezu einer gaußförmigen Grundmode. Die Energie der Laserpulse kann mit einem in der Lasereinheit (203) integrierten Abschwächer eingestellt werden.The shows a third preferred embodiment of a laser system according to the invention ( 300 ). The laser unit ( 303 ) here is again a Nd: YAG laser that generates a time-pulsed laser beam at a frequency tripled wavelength of 355 nanometers. The spatial beam profile corresponds almost to a Gaussian basic mode. The energy of the laser pulses can be measured with one in the laser unit ( 203 ) integrated attenuator.

Das Linsenarray (306) erzeugt in der hinteren Fokusebene eine Vielzahl von Intensitätsspitzen, die von einem Zoomobjektiv (307) in die vordere Fokusebene (308) der Linse (307) abgebildet werden. Das Linsenarray (306) hat ähnliche geometrische und optische Parameter wie in den ersten beiden Ausführungsformen. Das Zoom objektiv (307) setzt sich aus zwei sphärischen Linsen zusammen, die unabhängig voneinander verschoben werden können. Aus jeder Intensitätsspitze in der Fokusebene (308) erzeugt die Linse (307) ein paralleles Strahlenbündel, wobei jedes Strahlenbündel einen anderen Winkel zur optischen Achse aufweist. In der ist der Übersichtlichkeit halber nur das Strahlenbündel parallel zur optischen Achse dargestellt. Die Probe (301) befindet sich in der hinteren Fokusebene der Linse (304), so dass die verschiedenen parallelen Strahlenbündel auf die Probe (301) fokussiert werden. Da die parallelen Strahlenbündel unter unterschiedlichen Winkeln auf die Linse (304) treffen, ergibt jedes Strahlenbündel eine einzelne Intensitätsspitze, die je nach Richtung und Winkel des Strahlenbündels eine bestimmte Position auf der Probe (301) hat. Auf diese Weise wird auf der Probe (301) eine Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt. Durch die Brennweiten der Linsen (304) und (309) wird der Abstand der Intensitätsspitzen auf der Probe (301) bei gegebenem Abstand der Intensitätsspitzen in der Fokusebene (308) festgelegt.The lens array ( 306 ) generates a multitude of intensity peaks in the rear focal plane, which can be detected by a zoom lens ( 307 ) into the front focal plane ( 308 ) the lens ( 307 ) can be mapped. The lens array ( 306 ) has similar geometrical and optical parameters as in the first two embodiments. The zoom lens ( 307 ) consists of two spherical lenses that can be moved independently of each other. From each intensity peak in the focal plane ( 308 ) creates the lens ( 307 ) a parallel bundle of rays, each bundle of rays having a different angle to the optical axis. In the For the sake of clarity, only the bundle of rays is shown parallel to the optical axis. The sample ( 301 ) is located in the rear focal plane of the lens ( 304 ) so that the different parallel beams hit the sample ( 301 ) be focused. Since the parallel bundles of rays hit the lens ( 304 ), each bundle of rays results in a single intensity peak which, depending on the direction and angle of the bundle of rays, has a certain position on the sample ( 301 ) Has. In this way, on the sample ( 301 ) generates a multitude of intensity peaks. Due to the focal lengths of the lenses ( 304 ) and ( 309 ) the distance between the intensity peaks on the sample ( 301 ) at a given distance between the intensity peaks in the focal plane ( 308 ).

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Abstand der beiden Linsen (304) und (309) nicht durch eine Abbildung festgelegt wird, sondern im Prinzip beliebig ist. Des Weiteren kann durch das Zoomobjektiv (307) der Abbildungsmaßstab zwischen der hinteren Fokusebene des Linsenarrays (306) und der Fokusebene (308) stufenlos eingestellt werden. Dadurch wird es in sehr vorteilhafter Weise möglich, die Abstände der Intensitätsspitzen auf der Probe (301) einzustellen. Wie in der zweiten Ausführungsform gezeigt, können natürlich auch fraktale Talbotebenen oder andere optische Ebenen verwendet werden, in denen die Intensitätsspitzen eine höhere Periodizität aufweisen bzw. einen geringen räumlichen Modulationsgrad haben.A major advantage of this embodiment is that the distance between the two lenses ( 304 ) and ( 309 ) is not determined by a figure, but is in principle arbitrary. Furthermore, the zoom lens ( 307 ) the image scale between the rear focal plane of the lens array ( 306 ) and the focal plane ( 308 ) can be continuously adjusted. This makes it possible in a very advantageous way to determine the distances between the intensity peaks on the sample ( 301 ). As shown in the second embodiment, it is of course also possible to use fractal Talbot planes or other optical planes in which the intensity peaks have a higher periodicity or have a low spatial degree of modulation.

Mit dem Zoomobjektiv (307) kann außerdem in sehr vorteilhafter Weise auch die Ebene direkt hinter dem Linsenarray (306) in die Fokusebene (308) abgebildet werden. Dadurch wird in der Fokusebene (308) eine einzelne Intensitätsspitze erzeugt, die durch die beiden Linsen (304) und (309) auf die Probe (301) übertragen wird. Mit dem Zoomobjektiv kann der Abbildungsmaßstab stufenlos verändert werden und die Halbwertsbreite der einzelnen Intensitätsspitze auf der Probe (301) eingestellt werden.With the zoom lens ( 307 ) the plane directly behind the lens array ( 306 ) into the focal plane ( 308 ) can be mapped. This results in the focus plane ( 308 ) generates a single intensity peak that is passed through the two lenses ( 304 ) and ( 309 ) to the test ( 301 ) is transferred. With the zoom lens, the image scale can be continuously changed and the half-width of the individual intensity peaks on the sample ( 301 ) can be set.

Wie in den ersten beiden Ausführungsformen kann die Probe (301) gleichmäßig aufgebraucht werden, in dem die Position der Intensitätsspitzen auf der Probe (301) während einer Folge von Laserpulsen verändert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Umlenkspiegel (305) verkippt wird oder der Probenträger (302) bewegt wird oder vorzugsweise das Linsenarray (306) gedreht wird.As in the first two embodiments, the sample ( 301 ) can be used up evenly by adjusting the position of the intensity peaks on the sample ( 301 ) is changed during a sequence of laser pulses. This can be achieved, for example, by the deflection mirror ( 305 ) is tilted or the sample carrier ( 302 ) is moved or preferably the lens array ( 306 ) is rotated.

Anstelle des Linsenarrays (206) kann auch eine Kombination aus einem Dammann-Gitter und einer einzelnen sphärischen Linse verwendet werden, um eine Vielzahl von Intensitätsspitzen zu erzeugen. Ein Dammann-Gitter ist ein diffraktives optisches Element (DOE), das den Laserstrahl zwar wie ein übliches Gitter in unterschiedliche Ordnungen beugt, aber den Laserstrahl dabei gleichmäßig auf eine Vielzahl von Ordnungen verteilt. Die verschiedenen Beugungsordnungen des Dammann-Gitters, die als parallele Strahlenbündel mit unterschiedlichen Richtungen zur optischen Achse angesehen werden können, werden durch die einzelne sphärische Linse in deren hintere Fokusebene fokussiert und ergeben eine Vielzahl von Intensitätsspitzen. Diese Intensitätsspitzen können wie in der dritten Ausführungsform beschrieben, durch das Zoomobjektiv (307) in die Fokusebene (308) abgebildet werden. Möglicherweise kann die Erzeugung der parallelen Strahlenbündel, die durch die Linse (304) auf die Probe (301) fokussiert werden, vollständig durch ein einzelnes Damman-Gitter erfolgen, das variabel einstellbar ist. Ein solches variables Damman-Gitter kann prinzipiell aus einem programmierbaren Chip bestehen, der in Flüssigkristallbildschirmen oder -projektoren verwendet wird.Instead of the lens array ( 206 ) a combination of a Dammann grating and a single spherical lens can also be used to produce a variety of intensity peaks. A Dammann grating is a diffractive optical element (DOE) that diffracts the laser beam into different orders like a normal grating, but distributes the laser beam evenly over a large number of orders. The different diffraction orders of the Dammann grating, which can be viewed as parallel bundles of rays with different directions to the optical axis, are focused by the single spherical lens in its rear focal plane and result in a large number of intensity peaks. These intensity peaks can, as described in the third embodiment, through the zoom lens ( 307 ) into the focal plane ( 308 ) can be mapped. Possibly the generation of the parallel bundles of rays passing through the lens ( 304 ) to the test ( 301 ) are focused entirely through a single Damman grating that is variably adjustable. Such a variable Damman grating can in principle consist of a programmable chip which is used in liquid crystal screens or projectors.

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)

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 Vorrichtung a) 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 wobei b) 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 wobei c) 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 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 wherein b) the variable optical system (307) can be set in such a way 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 (30 9), and where c) the sample (301) is located in the rear focal plane of the second focusing optics (304). Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das variable optische System die Ebene direkt hinter dem Linsenarray (306) oder die hintere Fokusebene des Linsenarrays (306) oder beide in die vordere Fokusebene der ersten fokussierenden Optik (309) abbildet.Laser system according to Claim 1 , characterized in that the variable optical system images the plane directly behind the lens array (306) or the rear focal plane of the lens array (306) or both in the front focal plane of the first focusing optics (309). Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsmaßstab der Abbildung einstellbar ist.Laser system according to Claim 1 or 2 , characterized in that the scale of the image is adjustable. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (306) nach jedem Laserpuls oder einigen Laserpulsen bewegt wird.Laser system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the lens array (306) is moved after each laser pulse or a few laser pulses.
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