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Die Erfindung bezieht sich auf optisch bepumpte und gepulst emittierende Festkörperlaser, die in Massenspektrometern zur Ionisierung durch Laserdesorption, insbesondere matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI), eingesetzt werden. Sie bezieht sich insbesondere auf die Austastung einzelner Laserpulse oder Laserpulsgruppen unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen gepulster Ionisierungsprozesse wie dem MALDI-Prozess.
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Die Erfindung stellt ein kostengünstiges und wenig aufwändiges Verfahren bereit, mit dem einzelne Lichtpulse oder Lichtpulsgruppen ausgeblendet werden können, ohne dass nachfolgende Lichtpulse eine aus dieser vorherigen Ausblendung resultierende höhere Energiedichte aufweisen.
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Stand der Technik
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Eine bedeutende Ionisierungsart für Biomoleküle ist die Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI), die durch M. Karas und K. Hillenkamp vor etwa zwanzig Jahren entwickelt wurde. MALDI ablatiert und ionisiert die Analytmoleküle, vorzugsweise Biomoleküle, die sich in hoher Verdünnung in einer Mischung mit Molekülen einer Matrixsubstanz in Proben auf Probenträgern befinden, durch den Beschuss mit Laserlichtpulsen, in der Regel mit UV-Laserlichtpulsen. Früher wurden hierfür meist Stickstoff-Laser verwendet. Heute hingegen werden wegen weit höherer Lebensdauern und höheren Pulsfrequenzen Festkörper-Laser eingesetzt. Meist werden Laser mit Neodym-dotierten Kristallen und einer Verdreifachung der Photonen-Energie durch nichtlineare Kristalle eingesetzt (z.B. mit einer Zielwellenlänge von 355 Nanometern).
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Die Ionen, die im Plasma eines jeden Laserlichtpulses erzeugt werden, werden überwiegend in besonders dafür konstruierten MALDI-Flugzeitmassenspektrometern (MALDI-TOF-MS) mit 20 bis 30 Kilovolt beschleunigt und axial in eine Flugstrecke hineingeschossen. Nach Durchlaufen der Flugstrecke treffen sie auf ein Ionenmesssystem, das die massenabhängige Ankunftszeit der Ionen und ihre Menge misst und die digitalisierten Messwerte als Flugzeitspektrum speichert. Früher wurden Wiederholfrequenzen der Laserlichtpulse bei Stickstofflasern von 20 bis zu 60 Hertz verwendet. Die Festkörperlaser wurden mit Wiederholraten bis zu 2000 Lichtpulsen pro Sekunde eingesetzt. In jüngster Zeit wurde von der Anmelderin ein MALDI-TOF-Massenspektrometer mit Lichtpuls- und Spektrenaufnahme-Frequenzen von 10 Kilohertz entwickelt.
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Durch jeden Laserlichtpuls dürfen nicht zu viele Ionen erzeugt werden, zum Beispiel maximal nur einige Tausend pro Schuss, um Sättigungseffekte der Ionendetektion zu vermeiden. Es werden daher für ein Flugzeitspektrum einige Hundert bis einige Tausend Einzelspektren aufaddiert. Die Massenspektren können heute Massenauflösungen von R = m/∆m = 80000 und mehr erreichen, wobei ∆m die Breite des Ionenpeaks in halber Höhe ist.
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Diese Massenauflösung wird jedoch nur erreicht, wenn die Energiedichte der Laserlichtpulse richtig eingestellt und von Schuss zu Schuss möglichst konstant ist. Die Eigenschaften des Plasmas, das von einem Laserschuss erzeugt wird, hängen stark nichtlinear von der Energiedichte im Laserlichtpuls ab, daher erfordert die optimale Einstellung der MALDI-Bedingungen für die Ausnutzung des Messbereichs eine ungewöhnlich hohe Konstanz der Energiedichte der Laserlichtpulse. Beispielsweise ist die Ionenausbeute nach Literaturangaben etwa proportional zur sechsten oder sogar siebten Potenz der Energie, siehe den Übersichtsartikel „The Desorption Process in MALDI" von Klaus Dreisewerd (Chem. Rev. 2003, 103, 395–425). Eine Änderung der Laserlichtpulsenergie um nur ein Prozent verändert die Ionenausbeute bereits um etwa sechs bis sieben Prozent; ähnliches gilt auch für andere Plasmaparameter.
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Die Energie bestimmt beispielsweise auch den Druck in der Plasmawolke, die in jedem Laserschuss erzeugt wird; und der druckabhängige Ausdehnungsvorgang dieses Plasmas bestimmt die Anfangsverteilung der Ionengeschwindigkeiten. Diese Geschwindigkeitsverteilung muss, wie dem MALDI-Fachmann bekannt ist, durch Wahl einer geeigneten Verzögerungszeit vor dem Beschleunigen in die Flugstrecke (delayed extraction) und eines geeigneten Profils der Beschleunigungsspannung genau zeitlich fokussiert werden. Eine nur geringfügige Änderung der Energie macht sich durch eine messbare Verschlechterung der Massenauflösung bemerkbar.
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Muss die Serie von Laserlichtpulsen bei hohen Pulsfolgefrequenzen unterbrochen werden, beispielsweise weil ein anzuvisierendes Ziel auf einem Probenträger bewegt und räumlich neu ausgerichtet werden soll, so kann sich ein Problem mit der Konstanz der Energiedichte ergeben. Wird das Auspulsen und damit der Abbau der gespeicherten Inversion einfach zeitlich unterbrochen, so kann das fortgesetzte Pumpen der Laserkristalle zu einer Überhöhung der Besetzung des oberen Energiezustandes und damit zu einer starken Überhöhung der Energie im nächsten Laserlichtpuls führen. Dabei kann leicht eine äußerst schädliche Vervielfachung der Energiedichte des nächsten Laserschusses auftreten. Eine Steuerung des Pumpvorganges ist im Prinzip möglich, erweist sich aber bei hohen Schussfrequenzen von beispielsweise 10 Kilohertz als prinzipiell nachteilig für die Lebensdauer und Effizienz der Pumpdiode.
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veranschaulicht schematisch das zugrundeliegende Problem. Eine Reihe von gleichförmigen Laserlichtpulsen (a) bis (k) wird an der (f)-ten Stelle unterbrochen (gestrichelte Kontur). Der dem ausgelassenen Lichtpuls (f) folgende Puls (G) hat eine im Vergleich zu den anderen der Reihe überhöhte Energie, bevor sich das Niveau ab dem (h)-ten Puls wieder in etwa auf den vorherigen Wert einpegelt.
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Eine andere Möglichkeit, Energieüberhöhung zu vermeiden, betrifft das zeitlich schnelle Ausblenden von Laserpulsen nach der Laserstrahlerzeugung durch mechanische Anordnungen und/oder elektrooptische Verfahren (sogenannte „Pulspicker“). Mechanische Anordnungen sind jedoch insbesondere für den kHz-Bereich nicht schnell genug; elektrooptische Verfahren hingegen erfordern viel Platz und bringen hohe Kosten mit sich, vergleichbar mit den Kosten des Lasersystems selbst, was eine derartige Lösung grundsätzlich unwirtschaftlich macht.
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Die Aufnahmetechnik gepulster Ionenquellen wie MALDI-Ionenquellen erfordert jedoch, gelegentlich einige wenige oder auch mehrere Laserschüsse auszulassen. So ist es beim Übergang von einer Einzelprobe zur nächsten auf einem Probenträger mit getrennten Proben erforderlich, einige Laserschüsse auszusetzen, um nicht Massenspektren des nackten Probenträgers zu erhalten oder sogar den Probenträger zu beschädigen. Bei der bildgebenden Massenspektrometrie, die ein Abrastern von Oberflächen von Gewebedünnschnitten erfordert, ist ein Auslassen von Laserschüssen erforderlich, wenn eine Rasterzeile des Bildes abgetastet wurde und mit der nächsten Rasterzeile von vorne wieder angefangen werden muss. Der jeweils nachfolgende Laserschuss sollte allerdings keine Energieerhöhung aufweisen, die wesentlich über ein Prozent hinausgeht. Diese Anforderung grenzt beispielsweise MALDI deutlich von anderen Laser-Anwendungen ab.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das es erlaubt, die Taktfolge von Laserschüssen auf einen Probenträger für eine Ionisierung durch Laserdesorption für eine beliebige Anzahl von Takten zu unterbrechen, ohne dass der erste Laserschuss auf der Probe nach der Unterbrechung eine nachteilig erhöhte Energiedichte aufweist. Ferner soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine derartige Betriebsweise mit geringem Aufwand ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der eigentliche Laserresonator (englisch „Cavity“ für Hohlraum genannt) besteht mindestens aus einem Laserkristall, der optisch von außen bepumpt wird, einem für die Laserwellenlänge (z.B. 1064 Nanometer) hochreflektierenden Spiegel an einem Ende des Laserresonators, einem teildurchlässigen Spiegel am anderen Ende, einem Polarisationsfilter und einem schaltbaren Polarisationsdreher, mit dem die Güte des Resonators variiert werden kann. Durch das optische Pumpen wird ein Besetzungsüberschuss eines oberen Energieniveaus im Laserkristall erzeugt. Wird der Polarisationsdreher so geschaltet, dass er die Polarisation der Photonen auf die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters dreht, so beginnt die stimulierte Emission merklich zu starten, die sich in Bruchteilen von Nanosekunden sehr schnell exponentiell verstärkt, bis der Besetzungsüberschuss des oberen Laserniveaus nahezu aufgebraucht ist. Der schaltbare Polarisationsdreher besteht im Falle des üblicherweise verwendeten Güteschalters im „On Q-switch“-Betrieb vorzugsweise aus einer schaltbaren Pockelszelle für eine λ/4-Drehung pro Durchgang und einer λ/4-Wellenplatte. Die λ/4-Wellenplatte dient dabei der Sperrung des Resonators (also der Verhinderung der stimulierten Emission) ohne angelegte Spannung an der Pockelszelle.
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Es wird für die Erfindung ausgenutzt, dass das Laserlicht, das aus dem Laserresonator austritt, linear polarisiert ist. Die Erfindung besteht darin, den Laser, beispielsweise im Infraroten, in seiner vorgewählten Taktfrequenz mit einer ebenfalls vorgewählten Energie ununterbrochen laufen zu lassen, und die Unterbrechungen der Probenbestrahlung durch einen elektrisch schnell schaltbaren Polarisationsdreher vorzunehmen, der die Polarisationsrichtung verändert. Schnell schaltbar heißt vorliegend bis hinunter in den Bereich von wenigen Nanosekunden.
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Insbesondere kann durch eine Kombination aus einer schaltbaren Pockelszelle für eine λ/4-Drehung mit einer λ/4-Wellenplatte die Polarisationsebene mittels Umschaltung schnell um 90° gedreht werden. In Verbindung mit einem Polarisationsfilter, das Photonen mit gedrehter Polarisationsebene z.B. durch Spiegelung ausfiltert, kann die Bestrahlung des Probenträgers wie gewünscht unterbrochen werden. Das weggespiegelte Laserlicht des ausgetasteten Pulses kann in einem speziellen Absorber aufgefangen und vernichtet werden.
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Es kann aber auch ausgenutzt werden, dass die Kristalle, die optional für die Vervielfachung, beispielsweise Verdoppelung und Verdreifachung, der Laserenergie eingesetzt werden, Photonen einer bestimmten Polarisation brauchen, um überhaupt Lichtstrahlung einer Zielenergie, wie zum Beispiel im Ultravioletten, zu erzeugen. Wird die Polarisationsebene des Laserlichtes gedreht, so tritt das beispielsweise anfänglich infrarote Licht durch die Kristalle ohne Umwandlung ungestört durch. Ein nachfolgender Spiegel, der nur das Licht der Zielenergie ablenkt, zum Beispiel im Ultravioletten, lässt dann das infrarote Laserlicht einfach passieren und in einen Absorber eintreten, in dem die Energie des Laserlichts vernichtet wird.
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Für die Drehung der Polarisationsebene kann man in einer bevorzugten Ausführungsform die Pockelszelle im Laserresonator selbst benutzen, und damit ein kostengünstiges und wenig aufwändiges System erstellen, mit dem die verschleißarme und damit vorrichtungsschonende Austastung von Lichtpulsen erreicht wird. In einer gebräuchlichen Anordnung der Elemente im Laserresonator Laserkristall → Pockelszelle → Wellenplatte → Polarisationsfilter ist das allerdings nicht möglich, weil durch das Polarisationsfilter am Ende die Polarisation des austretenden Lichts aus dem Resonator festgelegt ist, was in der Regel für die Anwendung einer nachfolgenden Frequenzkonversion auch erwünscht ist, da dann die Polarisationsrichtung perfekt an die nichtlinearen Kristalle angepasst ist. Wird jedoch die Reihenfolge beispielsweise zu Laserkristall → Polarisationsfilter → Pockelszelle → Wellenplatte verändert, so kann die Polarisation des austretenden Lichts verändert werden. Wird hier die an der Pockelszelle angelegte Hochspannung in ihrer Polarisierung umgedreht, so tritt ein Laserstrahl aus dem Laserresonator, dessen Polarisationsebene um 90° gedreht ist. Dieser Laserstrahl kann dann beispielsweise ohne Umwandlung durch die polarisationsempfindlichen Vervielfacherkristalle, zum Beispiel Verdoppelungs- und Verdreifachungskristalle, hindurchtreten und, wie oben beschrieben, in einem Absorber aufgefangen und vernichtet werden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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zeigt schematisch eine zeitliche Reihe von Laserlichtpulsen auf einer Energieskala mit dem Effekt der Energieüberhöhung nach einem ausgelassenen Lichtpuls.
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zeigt den Aufbau eines gebräuchlichen Pulslasers zur Erzeugung von UV-Lichtpulsen. Ein Pumpdiodenlaser (1) mit 808 Nanometer IR-Licht pumpt den Laserkristall (4). Der Spiegel (3) ist für 808 Nanometer IR-Licht hochtransparent und für das 1064 Nanometer IR-Licht des Lasers hochreflektierend. Im Laserresonator (17), der am Ende durch den hier halbdurchlässigen Spiegel (8) abgeschlossen wird, befinden sich außerdem die Pockelszelle (5) und die λ/4-Wellenplatte (6), die zusammen einen schaltbaren Polarisationsdreher bilden, und ein Polarisationsfilter (7). Wird der Polarisationsdreher (5, 6) so geschaltet, dass die Polarisation mit der Durchlassrichtung des Polarisationsfilters (7) übereinstimmt, so kann Licht zwischen den Spiegeln (3) und (8) ungehindert hin- und herwandern, und es beginnt der Lichtverstärkungs-Prozess, dessen Lichtstärke in Bruchteilen von Nanosekunden sehr schnell exponentiell ansteigt, bis der Besetzungsüberschuss im höheren Niveau des Laserkristalls verbraucht ist. Der durch den halbdurchlässigen Spiegel (8) austretende IR-Lichtpuls von einigen Nanosekunden Länge ist in fester Richtung linear polarisiert. Im Verdopplerkristall (10) werden aus jeweils zwei IR-Photonen grüne Photonen erzeugt, im Verdreifacher-Kristall entstehen aus IR-Photonen und grünen Photonen UV-Photonen. Der UV-Spiegel (14) lenkt die nutzbare UV-Strahlung zu weiterer Verwendung ab; das restliche IR-Licht und restliche grüne Licht (15) wird in einem Absorber (16) aufgefangen und vernichtet.
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gibt die bevorzugte Anordnung im Laserresonator wieder. Durch die Umstellung von Polarisationsfilter (7) und Polarisationsdreher (5, 6) kann die Ausrichtung der Polarisation des emittierten IR-Lichts (19) während der Emission zwischen zwei Ebenen beliebig gewählt werden, beispielsweise so, dass das IR-Licht ohne Frequenzkonversion durch die Verdoppler- und Verdreifacherkristalle (10) und (12) hindurchtritt, weil die Aktivrichtung der Vervielfacherkristalle nicht mehr mit der Polarisationsrichtung des Lichts übereinstimmt, und im Absorber (16) aufgefangen und vernichtet wird.
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zeigt ein Schemabild ähnlich dem aus , wobei jedoch die Pulsenergie-Homogenität durch Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens, und gegebenenfalls unter Einsatz der hier beschriebenen Vorrichtungen, auch bei teildiskontinuierlichen Pulsreihen gewahrt bleibt. Der Puls (g*) nach dem ausgelassenen Puls (f) reiht sich gut in die Pulsserie ein.
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Detaillierte Beschreibung
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In heutigen Festkörperlasern wird in der Regel ein Laserkristall mit Licht aus einem Pumpdiodenlaser als Pumplichtquelle bepumpt, wodurch bei üblichen 4-Niveau-Lasern die Elektronen aus einem Grundzustand in einen hohen Energiezustand mit meist bandartigem Niveau gehoben werden. Von dort relaxieren sie in kürzester Zeit von nur Nanosekunden durch strahlungslose Übergänge in einen scharf definierten Zustand etwas geringerer Energie (oberes Laserniveau). In diesem Zustand verbleiben sie relativ lange, weil in den speziell ausgesuchten Kristallen der Übergang zu noch niedrigeren Niveaus nach den Regeln der Quantenoptik verboten ist. In üblichen Nd:YAG-Kristallen beträgt die Relaxationszeit dieses Zustandes etwa 230 Mikrosekunden. Von hier aus kann durch stimulierte oder spontane Lichtemission ein Übergang in das untere Laserniveau erfolgen. Der Übergang vom unteren Laserniveau in den Grundzustand erfolgt in sehr kurzer Zeit. Damit kann man durch optisches Pumpen relativ leicht einen Inversionszustand zwischen dem unteren und oberen Laserniveau erreichen.
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In der vorliegenden Anordnung eines Polarisationsfilters benachbart zum Laserkristall lassen sich außer Nd:YAG auch von Natur aus doppelbrechende Laserkristalle verwenden, deren Verstärkungsfaktor („Gain“) von der Polarisation des Lichtes abhängig ist.
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Der eigentliche Laserresonator (17) (die „Cavity“) besteht, wie in für eine übliche Anordnung dargestellt, mindestens aus einem Laserkristall (4), der durch Pumpdioden (1) optisch von außen bepumpt wird, einem für die Laserwellenlänge von z.B. 1064 Nanometer hochreflektierenden, aber für die Pumpwellenlänge von z.B. 808 Nanometer hochdurchlässigen Spiegel (3) an einem Ende des Laserresonators, einem hier halbdurchlässigen Spiegel (8) am anderen Ende, einem Polarisationsfilter (7) und einem schaltbaren Polarisationsdreher (5, 6), mit denen die Lichtverstärkung des Lasers ausgelöst werden kann. Durch das optische Pumpen wird ein Besetzungsüberschuss des oberen Energieniveaus im Laserkristall erzeugt. Wird der Polarisationsdreher (5, 6) zum Start der Emission so geschaltet, dass er Photonen der gleichen linearen Polarisierung im doppelten Durchgang erzeugt, wie sie das Polarisationsfilter (7) für einen Durchlass braucht, so beginnt die Lichterzeugung, die sich sehr schnell exponentiell verstärkt, bis nach wenigen Nanosekunden der Besetzungsüberschuss des oberen Laserniveaus aufgebraucht ist. Der schaltbare Polarisationsdreher (5, 6) besteht üblicherweise aus einer schaltbaren Pockelszelle (5) für eine λ/4-Drehung von linear polarisiertem Licht zu zirkular polarisiertem Licht, und einer λ/4-Wellenplatte für eine weitere Drehung von zirkular zu linear polarisiertem Licht, wie dargestellt.
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Der Kristall der Pockelszelle (5) wird durch Anlegen einer Hochspannung so doppelbrechend, dass er mit der richtigen Spannung und Orientierung zu einer λ/4-Wellenplatte wird. Mit der weiteren λ/4-Wellenplatte (6) entsteht ein Polarisationsdreher, dessen Polarisationsebene aber durch Umkehrung der Polarisation der angelegten Hochspannung an der Pockelszelle um 90° gedreht werden kann (Umschaltung).
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Das Polarisationsfilter (7) befindet sich in üblichen Anordnungen, wie in gezeigt, direkt vor dem halbdurchlässigen Spiegel (8) am Ende des Resonators (14). Dadurch emittiert der Laserresonator (14) einen Lichtstrahl (9) mit fester Polarisationsrichtung. Das ist für übliche Anwendungen wünschenswert, da Verdopplerkristall (10) und Verdreifacherkristall (12) Lichtstrahlen mit fester Polarisationsrichtung brauchen.
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Für die Erfindung wird nun ausgenutzt, dass das Laserlicht, das aus dem Laserresonator (17) austritt, polarisiert ist. Die Erfindung besteht darin, den Laser mit seinem Resonator (17) in seiner eingestellten Taktfrequenz ununterbrochen laufen zu lassen, und die gepulste Probenbestrahlung mittels elektrischer Umschaltung des Polarisationsdrehers in Verbindung mit einem polarisationsempfindlichen Bauteil wie einem Polarisationsfilter oder einem polarisationsempfindlichen Vervielfacherkristall zu unterbrechen.
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Insbesondere kann durch eine Kombination aus einer schaltbaren Pockelszelle, die bei genau eingestellter Hochspannung durch die erzeugte Doppelbrechung aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht erzeugt, und einer doppelbrechenden λ/4-Wellenplatte, die aus dem zirkular polarisiertem Licht wieder linear polarisiertes Licht macht, die Polarisationsebene mittels elektrischer Umschaltung um 90° gedreht werden. Je nach der Polarität der an der Pockelszelle angelegten Hochspannung, kann die Richtung der linearen Polarisation zwischen den beiden um 90° verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden (z.B. vertikal oder horizontal polarisiert). In Verbindung mit einem als Spiegel ausgebildeten Polarisationsfilter, das Photonen mit gedrehter Polarisationsebene durch Spiegelung ausfiltert, kann die Bestrahlung des Probenträgers wie gewünscht unterbrochen werden. Das weggespiegelte Laserlicht eines Pulses oder einer Pulsgruppe kann in einem speziellen Absorber aufgefangen und vernichtet werden. Eine solche Anordnung aus Polarisationsdreher und Polarisationsfilter kann beispielweise auch zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel (8) des Laserresonators (17) und dem Verdopplerkristall (10) als erstem Vervielfacherkristall zusätzlich eingebaut werden (nicht gezeigt).
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Es kann insbesondere aber auch ausgenutzt werden, dass die Kristalle (10) und (12), die (optional) für die Vervielfachung, zum Beispiel Verdoppelung und Verdreifachung, der Laserenergie eingesetzt werden, Photonen einer bestimmten Polarisation brauchen, also selbst ein polarisationsempfindliches Bauteil darstellen. Anders ausgedrückt, treffen Photonen auf einen Vervielfacherkristall und stimmt die Polarisation dieser Photonen mit der Vorzugsrichtung oder Aktivrichtung des Vervielfacherkristalls überein, wird die Photonenenergie gewandelt. Besitzen die einfallenden Photonen jedoch eine lineare Polarisation, die mit einer Inaktivrichtung des Vervielfacherkristalls zusammenfällt, so laufen sie weitgehend ungehindert durch den Kristall hindurch, ohne mit ihm wechselzuwirken. Wird die Polarisationsebene des Laserlichtes durch einen vorgeschalteten Polarisationsdreher beispielsweise aus Pockelszelle und Wellenplatte gedreht, so tritt das infrarote Licht niedriger Energie ohne Umwandlung ungestört durch die Verdoppler- und Verdreifacher-Kristalle (10) und (12) hindurch. Ein nachfolgender UV-Spiegel (14), der nur das UV-Licht erhöhter Energie ablenkt, lässt dann das infrarote Laserlicht in einen Absorber (16) eintreten, in dem die Energie des Laserlichts vernichtet wird.
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Für die Drehung der Polarisationsebene kann man in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Pockelszelle (5) im Laserresonator selbst benutzen. In der üblichen Reihenfolge der Elemente im Laserresonator (17) der , nämlich Laserkristall (4) → Pockelszelle (5) → Wellenplatte (6) → Polarisationsfilter (7), ist das allerdings nicht möglich, weil durch das Polarisationsfilter (7) am Ende die Polarisationsrichtung des austretenden Lichts festgelegt ist, was in der Regel für die Anwendungen außerhalb des Gebiets der gepulsten Ionisierung in der Massenspektrometrie erwünscht ist. Wird jedoch die Reihenfolge verändert, wie zum Beispiel in dargestellt, nämlich zu Laserkristall (4) → Polarisationsfilter (7) → Pockelszelle (5) → Wellenplatte (6), so kann die Polarisation des austretenden Lichts verändert werden (19), ohne den optischen Pumpprozess, die Herstellung der Besetzungsinversion oder die stimulierte Strahlungsemission zu beeinflussen. Wird hier der an der Pockelszelle (5) für den Start der stimulierten Emission angelegte Hochspannungspuls in seiner Polarisierung umgedreht, so tritt ein Laserlichtpuls aus dem Laserresonator, dessen Polarisationsebene um 90° gedreht ist, weil Pockelszelle und Wellenplatte eine λ/2-Wellenplatte bilden. Dieser Laserlichtpuls tritt dann ohne Umwandlung durch die Verdoppelungs- und Verdreifachungskristalle (10) und (12) hindurch und kann, wie oben beschrieben, durch den geraden Durchtritt durch den UV-Spiegel (14) im Absorber (16) vernichtet werden.
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Es ist also ein Teilaspekt der Erfindung, eine spezielle Anordnung der Polarisationsdreher (5, 6) und des Polarisationsfilters (7) im Laserresonator (18) einzuführen, um die erfindungsgemäße Austastung von Laserschüssen vorzunehmen. Zusätzlich ist es erforderlich, einen Hochspannungsgenerator zu verwenden, der sowohl positive wie auch negative Hochspannungspulse reproduzierbar einstellbarer Spannung für die Umschaltung der Polarisationsrichtungen liefern kann.
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Die Betriebsweise und die Ausführungsformen des Lasers sind hier stark vereinfacht dargestellt. In der Realität treten technische Herausforderungen auf, die berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise erwärmt sich der Laserkristall beim optischen Pumpen und bildet eine thermische Linse. Diese hängt von der verwendeten Pumpleistung ab. Der IR-Strahl (niedriger Energie) muss daher nach der Emission aus dem Laserresonator wieder einstellbar durch eine Linse parallelisiert und auf den richtigen Durchmesser für die Kristalle (10) und (12) gebracht werden. Auch laterale Aberrationen treten auf, die für die nachfolgende Frequenzkonversion kompensiert werden müssen. Diese und weitere Anforderungen spielen jedoch für die Erfindung und ihre Ausführungsformen keine besondere Rolle. Sie sind vielmehr den Routinefertigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet zuzurechnen.
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Die Energie eines UV-Lichtpulses beträgt etwa 100 Mikrojoule, obwohl für die Bestrahlung der Probe z.T. nur einige Nanojoule bis hundert Nanojoule nötig sein können. Die hohe Ausgangsenergie ist aber notwendig, um einen großen Proben- und Anwendungsbereich abzudecken. Die Energie der Lichtpulse muss daher sehr präzise um vier bis fünf Zehnerpotenzen abgeschwächt werden. Auch dabei ist darauf zu achten, dass die Energie des Laserlichtpulses von Schuss zu Schuss möglichst konstant bleibt. Eine völlige Konstanz ist allerdings nicht erreichbar, da es auch noch statistische Schwankungen der Energie durch den Laserprozess selbst gibt, die ebenfalls das MALDI-Analysenverfahren beeinflussen. Diese statistischen Energieschwankungen werden durch die statistischen Prozesse zu Beginn der stimulierten Emission erzeugt. Nach Schalten des Polarisationsdrehers leiten einzelne Photonen, die zufällig die richtige Richtung besitzen, den Emissionsprozess in statistischer Weise ein. Diese Energieschwankungen werden durch den nicht-linearen Umwandlungsprozess der IR-Wellenlänge in den UV-Bereich noch weiter verstärkt. Die statistischen Schwankungen der Energie durch diese Prozesse betragen typischerweise 1,5 bis 2,5 Prozent Standardabweichung. Diese Schwankungen können durch bestimmte Betriebsverfahren, die den Beginn der stimulierten Emission konstanter machen (beispielsweise „Seeding“, bei dem die Strahlung eines Lasers als Eingangsgröße für einen optischen Verstärker oder einen anderen Laser dient), auf etwa 0,4 Prozent herabgedrückt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur teildiskontinuierlichen (also teils unterbrochenen pulsweisen) Bestrahlung eines Probenträgers in einem Massenspektrometer mit Lichtpulsen für eine Ionisierung von Proben auf dem Probenträger durch Laserdesorption. Ein Laserkristall, der sich in einem Laserresonator zwischen einem hochreflektierenden Spiegel an einem Ende und einem für die Anfangsenergie teildurchlässigen Spiegel am anderen Ende befindet, sendet kontinuierlich gleichförmige Lichtpulse einer Anfangsenergie aus. Ein Polarisationsdreher prägt den Photonen der Anfangsenergie eine vorbestimmte Polarisationsrichtung auf, wonach die Lichtpulse zu dem Probenträger geführt werden, um dort Probenmaterial zu desorbieren. Der Polarisationsdreher wechselt zu bestimmten Zeiten die Polarisationsrichtung der Photonen der Anfangsenergie, wodurch einzelne oder Gruppen der Laserlichtpulse der Anfangsenergie mittels eines polarisationsempfindlichen Bauteils ausgetastet werden und ungenutzt bleiben.
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In verschiedenen Ausführungsformen können die Lichtpulse der Anfangsenergie direkt für die Bestrahlung der Proben verwendet werden. Es sind beispielsweise Anwendungen der Infrarot-MALDI bzw. IR-MALDI bekannt. In alternativen Ausführungsformen können die Photonen der Anfangsenergie nach dem Austritt aus dem Laserresonator durch eine Vervielfachung der Photonenenergie in wenigstens einem Vervielfacherkristall jedoch auch in Photonen einer Zielenergie, die höher als die Anfangsenergie ist, umgewandelt und dann zu dem Probenträger geführt werden. Die Zielenergie kann beispielsweise im Ultravioletten liegen.
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Der schnell schaltbare Polarisationsdreher kann eine schnell schaltbare Pockelszelle und eine λ/4-Wellenplatte umfassen. Die Pockelszelle wird vorzugsweise mit einem Hochspannungsgenerator betrieben, der steuerbar sowohl positive wie auch negative Hochspannungspulse genau reproduzierbarer Spannung für den Wechsel der Polarisationsrichtungen liefert. Das polarisationsempfindliche Bauteil kann ein Polarisationsfilter umfassen. Vorzugsweise wird das Polarisationsfilter nicht unmittelbar benachbart zum teildurchlässigen Spiegel angeordnet.
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In verschiedenen Ausführungsformen können ein Polarisationsfilter und ein schnellschaltbarer Polarisationsdreher zum Austasten der Lichtpulse außerhalb des Laserresonators zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und einem ersten Vervielfacherkristall angeordnet werden; in alternativen Ausführungsformen lassen sich aber auch die Pockelszelle und die λ/4-Wellenplatte im Laserresonator als schnell schaltbarer Polarisationsdreher für das Austasten verwenden, wobei es dann notwendig ist, die übliche Anordnung der optischen Elemente im Laserresonator so zu verändern, dass das Polarisationsfilter nicht mehr direkt benachbart zum teildurchlässigen Spiegel angeordnet ist. Der schnell schaltbare Polarisationsdreher erfordert einen Hochspannungsgenerator, der sowohl negative wie auch positive Hochspannungspulse reproduzierbarer Spannung für die schnelle Umschaltung der Polarisationsrichtungen liefern kann.
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Das polarisationsempfindliche Bauteil kann auch wenigstens einen Vervielfacherkristall umfassen, der im Wesentlichen nur mit Licht der vorbestimmten Polarisationsrichtung arbeitet, wenn ein Laserlichtpuls der Zielenergie auf eine Probe geschickt werden soll, und Licht mit einer anderen, beispielsweise um 90° gedrehten Polarisationsrichtung unverändert passieren lässt, so dass keine Frequenzvervielfachung und keine Bestrahlung der Probe stattfindet.
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Ein besonders bevorzugtes Verfahren verwendet die Pockelszelle und die λ/4-Wellenplatte im Laserresonator für die Drehung der Polarisationsebene und die Verdoppelungs- und Verdreifachungskristalle für das Austasten der Lichtpulse.
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Die Ionisierung der Probe kann insbesondere durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) erfolgen. Die hier vorgestellten Prinzipien sind jedoch auch auf andere gepulste Desorptions-Ionisierungsverfahren anwendbar. Die Laserpulsfrequenz kann zwischen 1 Hertz und 10 Kilohertz oder auch darüber hinaus bei mehreren 10 Kilohertz eingestellt werden.
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Insbesondere umfasst die Erfindung einen Laserresonator, in dem nicht wie üblich das Polarisationsfilter, sondern der Polarisationsdreher direkt benachbart zum teildurchlässigen Spiegel angeordnet ist. Für den Betrieb einer Pockelszelle ist ein Hochspannungsgenerator bevorzugt, der sowohl positive wie auch negative Hochspannungspulse genau reproduzierbarer Spannung für die Umschaltung der Polarisationsrichtungen liefern kann. Bevorzugt lassen sich im Laserresonator auch doppelbrechende Kristalle als Laserkristalle verwenden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines wie oben beschriebenen, und anhand der Ausführungsform aus beispielhaft erläuterten, neuen Laserresonators in einer Ionenquelle eines Flugzeit-Massenspektrometers, die mit Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI) arbeitet.
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Die Erfindung ist vorstehend mit Bezug auf verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diverse Aspekte oder Details der Erfindung geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere können im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen offenbarte Maßnahmen beliebig kombiniert werden, sofern dies einem Fachmann praktikabel erscheint. Überdies dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzbereichs, der ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche unter Berücksichtigung etwaig vorhandener Äquivalente definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „The Desorption Process in MALDI“ von Klaus Dreisewerd (Chem. Rev. 2003, 103, 395–425) [0006]
