DE102021105327B3

DE102021105327B3 - Desorptions-Ionenquelle mit Postdesorptions-Ionisierung in Transmissionsgeometrie

Info

Publication number: DE102021105327B3
Application number: DE102021105327.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Haase; Jens Höhndorf; Jens Boßmeyer
Original assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2041-03-06
Also published as: GB202202502D0; CN115020190A; GB2606441A; US20220285142A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus Probenmaterial, das auf einem wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen durchlässigen Substrat deponiert ist, aufweisend: - eine Stützeinrichtung, die eine Halterung für das Substrat aufweist, - eine Desorptions/Ionisierungseinheit, welche eine Desorptionseinrichtung und eine Ionisierungseinrichtung umfasst, wobei die Desorptionseinrichtung angeordnet und ausgelegt ist, deponiertes Probenmaterial mittels wenigstens einem Energieschub von einem Desorptionsort am Substrat zu desorbieren, und wobei die Ionisierungseinrichtung angeordnet und ausgelegt ist, das desorbierte Probenmaterial über dem Substrat nach dem wenigstens einen Energieschub mittels elektromagnetischer Wellen zu durchstrahlen, wobei die elektromagnetischen Wellen das Substrat vor dem Zusammentreffen mit dem desorbierten Probenmaterial an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und - eine Abzieheinrichtung, die angeordnet und ausgelegt ist, Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial herauszuziehen und in einen Analysator zu überführen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechend angelegtes Verfahren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus deponiertem Probenmaterial, insbesondere für analytische Systeme (z.B. Mobilitätsspektrometer, Massenspektrometer und kombinierte Mobilitäts-Massenspektrometer) und Anwendungen zur weiteren Untersuchung der erzeugten Ionen.
Hintergrund der Erfindung
Der Stand der Technik wird im Folgenden mit Bezug auf einen speziellen Aspekt erläutert. Dies soll jedoch nicht als Einschränkung der nachfolgenden Offenbarung der Erfindung verstanden werden. Nützliche Fortentwicklungen und Änderungen vom aus dem Stand der Technik Bekannten können auch über den vergleichsweise engen Rahmen dieser Einleitung hinaus anwendbar sein und werden sich geübten Praktikern auf diesem Gebiet nach der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung umstandslos erschließen.
Die Kombination aus Desorption einer abgelagerten Probe mit anschließender (Nach-)Ionisierung des desorbierten Materials ist in der Massenspektrometrie seit langem bekannt. Diese Postdesorptions-Ionisierung verbessert die Ionisierungseffizienz und erhöht damit die Messempfindlichkeit insbesondere für in der Probe stark verdünnte und/oder schwer ionisierbare Moleküle. Ein Beispiel ist die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), die durch Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) unter Verwendung einer Postdesorptions-Ionisierungsmodalität ergänzt und erweitert wurde. Der Übersichtsartikel „Use of Post-Ionisation Techniques to Complement SIMS Analysis. A Review With Practical Aspects“ von H. J. Mathieu et al. (in High Temperature Materials and Processes, Band 17: Heft 1-2, 1998, 29-44) widmet sich diesem Thema.
Während die SIMS, entweder begleitet von SNMS oder nicht, vorwiegend zur Oberflächenanalyse und meist auf unbehandelte Proben angewendet wird, wobei die nachzuweisenden Atom- oder Molekülionen unmittelbar durch Wechselwirkung mit energetischen Primärionen-Strahlen im Hochvakuum entstehen, bedient sich die matrix-unterstützte Laserdesorption/ionisation (MALDI) einer kristallbildenden Matrixsubstanz als Ionisierungsvermittler. Die auskristallisierte Matrixsubstanz, in die die Probe eingebettet ist, ist für Laserlicht (häufig im ultravioletten Spektralbereich) empfänglich und reagiert auf den Laserbeschuss mit Ablation, Erzeugung eines Ladungsträger(über)angebots und Übertragung von Ladungsträgern auf die gleichzeitig ablatierten Probenmoleküle.
Auch die MALDI-Massenspektrometrie steht vor der Herausforderung, die Ionisierungsausbeuten für Molekülionen zu erhöhen, so dass auch auf diesem Gebiet Postdesorptions-Ionisierungsmodalitäten ausprobiert wurden. Ein Beispiel ist in der Veröffentlichung WO 2010/085720 A1 zu finden. Es wird dort ein Ansatz beschrieben, gemäß dem ein Ablationslaserstrahl von der Vorderseite auf den Objektträger, auf dem die Probe deponiert ist, gerichtet wird und Strahlen eines Postdesorptionslasers oder mehrerer Postdesorptionslaser („POSTI Laser“) in einer Ebene parallel zum und knapp über dem Objektträger durch die Desorptionswolke geführt werden. Ein ähnlicher Aufbau ist in der Arbeit von Jens Soltwisch et al. „Mass spectrometry imaging with laser-induced postionization“ (Science 348 (6231), 211-215) beschrieben und wird dort MALDI-2 genannt.
Alternativ zur vorderseitigen Ablation wurden auch Postdesorptions-Ionisierungsmodalitäten für MALDI-Ionenquellen mit Transmissionsgeometrie getestet, in denen der Ablationslaserstrahl den entsprechend transparenten Objektträger durchläuft, um die Laserenergie für die Ablation rückseitig in die Probe zu bringen. Beispiele für solche Anordnungen finden sich in den Artikeln „Combining MALDI-2 and Transmission Geometry Laser Optics to Achieve High Sensitivity for Ultra-High Spatial Resolution Surface Analysis“ von Eric C. Spivey et al. (Journal of Mass Spectrometry, Volume 54, Issue 4, April 2019, 366-370), „Transmission-mode MALDI-2 mass spectrometry imaging of cells and tissues at subcellular resolution“ von M. Niehaus et al. (Nature Methods volume 16, pages 925-931 (2019)) und „Atmospheric Pressure MALDI Mass Spectrometry Imaging Using In-Line Plasma Induced Postionization“ von Efstathios A. Elia et al. (Anal. Chem. 2020, 92, 23, 15285-15290), letzterer mit Bezug auf eine Plasma-induzierte Nachionisierungsmodalität.
Die Druckschrift DE 10 2010 052 975 A1 betrifft ein Verfahren zur Unterstützung der händischen Präparation eines Probenträgers für die Ionisierung mit matrix-unterstützter Laserdesorption, bei dem ein Probenträger mit Probenorten bereitgestellt wird, ein ausgewählter Probenort zumindest gegenüber dazu benachbarten nicht-ausgewählten Probenorten in für einen Menschen visuell wahrnehmbarer Weise hervorgehoben wird, der ausgewählte und hervorgehobene Probenort mit einer Probe von Hand belegt wird und der Belegungszustand wenigstens des ausgewählten und hervorgehobenen Probenortes bestimmt wird.
In der Druckschrift DE 697 18 438 T2 wird eine MALDI Massenspektrometrie-Anordnung zur Bestrahlung im Durchlicht diskutiert, in der die Rückseite einer Probe durch ein transparentes Substrat hindurch, zum Beispiel mit einem fokussierten Laserstrahl, bestrahlt werden kann.
Die Druckschrift WO 03/050517 A1 betrifft ein bei mindestens einer eingestrahlten Anregungswellenlange optisch transparentes Trägersubstrat für eine MALDI-Messanordnung, wobei besagtes Trägersubstrat, dessen Material ein Metalloxid oder ein Gemisch von Metalloxiden umfassen kann, sequentiell die Durchführung einer oder mehrerer optischer und einer oder mehrerer massenspektrometrischer Messungen ermöglichen soll, sowie die entsprechend ausgeführten gekoppelten optischen und massenspektrometrischen Nachweisverfahren und deren Verwendung.
In einer Weiterführung zu lichtoptischen Nachionisierungsmodalitäten beschreibt die Veröffentlichung WO 2020/046892 A1 eine Vorrichtung und Methode zur Bestrahlung von Proben auf einem Objektträger sowohl von vorne als auch von hinten mit lasergenerierten optischen Strahlen kleinen Durchmessers für die bildgebende Massenspektrometrie mit subzellulärer räumlicher Auflösung. Einige Ausführungsformen erzeugen optische Strahlen minimalen Durchmessers, die im Wesentlichen der Beugungsgrenze der doppelten Laserwellenlänge entsprechen. Eine hohe Empfindlichkeit für MALDI-TOF-Bildgebung aus einzelnen Laserschüssen jedes Lasers für jedes Pixel im Bild soll so erreichbar sein.
Es besteht Bedarf an einer substantiellen weiteren Sensitivitätssteigerung der LDI-MS (LDI = Laserdesorptions-Ionisierung), etwa durch MALDI-2, insbesondere für die Bildgebung (mass spectrometry imaging - MSI). Weitere von der Erfindung zu lösende Aufgaben ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres bei der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus Probenmaterial, das auf einem wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen durchlässigen Substrat deponiert ist, aufweisend: - eine Stützeinrichtung, die eine Halterung für das Substrat aufweist, wobei das Substrat in der Art eines Glasplättchens ausgeführt sein kann, das für elektromagnetische Wellen im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich durchlässig ist, - eine Desorptions/Ionisierungseinheit, welche eine Desorptionseinrichtung und eine Ionisierungseinrichtung umfasst, wobei die Desorptionseinrichtung angeordnet und ausgelegt ist, deponiertes Probenmaterial mittels wenigstens einem Energieschub von einem Desorptionsort am Substrat zu desorbieren, und wobei die Ionisierungseinrichtung angeordnet und ausgelegt ist, das desorbierte Probenmaterial über dem Substrat nach dem wenigstens einen Energieschub mittels elektromagnetischer Wellen zu durchstrahlen, wobei die elektromagnetischen Wellen das Substrat vor dem Zusammentreffen mit dem desorbierten Probenmaterial an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und - eine Abzieheinrichtung, die angeordnet und ausgelegt ist, Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial herauszuziehen und in einen Analysator zu überführen.
Das Führen elektromagnetischer Wellen in Transmission durch ein Substrat, von dem durch einen vorherigen Energieschub oder eine kurz getaktete Sequenz an Energieschüben Probenmaterial an einem Desorptionsort, der einen Bruchteil der Probenmaterial-tragenden Gesamtfläche des Substrats umfassen kann, (substantiell bis zu weitgehend vollständig) desorbiert worden ist, erlaubt die Anordnung der für die Strahlführung erforderlichen lichtoptischen Elemente wie Linsen oder Spiegel abseits des Raums, in dem Ionen erzeugt werden und geführt werden. Dies erleichtert die Konstruktion der Ionenquelle beträchtlich, da diese lichtoptischen Elemente die elektrischen Potentialbedingungen im Ionisierungsraum, die zur Führung von Ionen dienen, nicht beeinflussen, insbesondere wenn die lichtoptischen Elemente eine hohe Apertur aufweisen und deshalb nahe am Desorptionsort angeordnet sind. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Anordnung der Ionisierungseinrichtung vorteilhaft, weil die Gefahr einer Verschmutzung der lichtoptischen Elemente ausgeschlossen wird.
Weiterhin durchdringt der Strahl elektromagnetischer Wellen für die Postdesorptions-Ionisierung die Desorptionswolke in einer Richtung, die mit der Ausbreitungsrichtung der Wolke (üblicherweise weitgehend parallel zur Flächennormale der Substratoberfläche) substantiell übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Wechselwirkungsstrecke zwischen den elektromagnetischen Wellen und dem desorbiertem Probenmaterial verlängert, insbesondere im Vergleich zu Anordnungen aus dem Stand der Technik, z.B. MALDI-2, wo ein Postdesorptions-Ionisierungspuls im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Desorptionswolke ausgerichtet ist. Folglich können desorbierte Neutralmoleküle substantiell über die gesamte Ausdehnung der Wolke durch die elektromagnetischen Wellen angeregt werden, selbst wenn sie sich von der Substratoberfläche schon entfernt haben, mit dem Ergebnis eines entsprechend vergrößerten Ladungsträgerangebots, und nicht nur in einem vergleichsweisen schmalen Fokus eines seitlich einfallenden Strahls unmittelbar über dem Substrat wie im Stand der Technik. Das Einstrahlen elektromagnetischer Wellen für die Postdesorptions-Ionisierung lässt sich so überdies verlängern, auf Zeiträume bis zu mehreren Millisekunden, bevor ein nächster Desorptionsort auf dem Substrat angesteuert wird, was die Ionisierungswahrscheinlichkeit und damit einhergehend die Ionisierungsausbeute ebenfalls erhöht.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützeinrichtung eine Kammer umfassen, in der sich die Halterung für das Substrat befindet und die angeordnet und ausgelegt ist, eine konditionierte Umgebung für das Substrat einschließlich deponiertem Probenmaterial zu schaffen. Es ist zum Beispiel möglich, die Kammer an eine Unterdruckquelle zum Evakuieren der Umgebung des deponierten Probenmaterials anzuschließen, z.B. eine Pumpe. Die Unterdruckquelle kann angeordnet und ausgelegt sein, einen Druck aufrechtzuerhalten, der substantiell größer als ein Hochvakuum (> 10^-3 Hektopascal) und geringer als etwa 10² Hektopascal (< Atmosphärendruck) ist, z.B. 1-10 Hektopascal.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kammer an eine Gaszuführeinrichtung angeschlossen sein, die so angeordnet und ausgelegt ist, dass ein reaktionsträges Puffergas, ein reaktives Gas (z.B. Methan), ein Feuchtegas (z.B. Wasserdampf) und/oder ein für die elektromagnetischen Wellen empfängliches Dotiergas in die Kammer eingetragen wird. Als reaktionsträges Puffergas kommen beispielsweise molekularer Stickstoff oder Helium in Frage. Das Dotiergas, beispielsweise ein polar aprotisches Lösungsmittel wie Aceton, ein polar protisches Lösungsmittel wie Isopropanol oder ein unpolares Lösungsmittel wie Toluol, wie in der parallelen Anmeldung DE 10 2020 120 394 A1 der Anmelderin beschrieben, ist vorzugsweise für die elektromagnetischen Wellen empfänglich und reagiert darauf mit Anregung und Bereitstellung zusätzlicher Ladungsträger, z.B. Protonen, die in chemischen Reaktionen direkt von den angeregten Molekülen des Dotiergases oder in einer Reaktionskaskade an neutrale, desorbierte Probenmoleküle übertragen werden können. Das Dotiergas ist ebenfalls bevorzugter Weise flüchtig und hat einen hohen Dampfdruck, um übermäßiger Ablagerung auf den Oberflächen in der Vorrichtung, z.B. der Ionenquelle, oder auch nachfolgenden Komponenten des Analysators vorzubeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Desorptionseinrichtung vorzugsweise angeordnet und ausgelegt, einen energetischen Strahl auf das deponierte Probenmaterial zu richten, um den wenigstens einen Energieschub auszulösen. Bei dem energetischen Strahl kann es sich um einen Laserstrahl handeln, um deponiertes Probenmaterial zu ablatieren. Der Laserstrahl kann insbesondere gepulst sein; weiter kann eine Vielzahl von kurz hintereinander erzeugten, gleichartigen oder wesensgleichen Laserpulsen für die Desorption/Ablation verwendet werden. Vorzugsweise durchläuft der energetische Strahl das Substrat an der Stelle, die dem Desorptionsort entspricht, vor dem Zusammentreffen mit dem deponierten Probenmaterial. Eine andere Art von Energieschub, die zwecks Desorption auf deponiertes Probenmaterial einwirken kann, lässt sich zum Beispiel durch örtlich fokussierte Schallwellen mit ultrakurzer Pulsdauer erzeugen, z.B. in einem für elektromagnetische Wellen teildurchlässigen Schallwandler-Substrat.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ionisierungseinrichtung einen Laser zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Wellen, eine (breitbandige) Entladungslampe oder eine Licht emittierende Diode (LED) umfassen. Die Wellenlänge des Laserlichts liegt bevorzugt im ultravioletten Spektralbereich, unterhalb 400 Nanometern, beispielsweise bei 355 Nanometern, 349 Nanometern, 337 Nanometern oder 266 Nanometern, wie sie mit vielen gängigen Festkörper- und Gaslasern erzeugt werden kann. Es ist möglich, einen Laser mit Pulsbetrieb oder diskontinuierlichem Dauerstrichbetrieb bzw. eine Entladungslampe oder LED mit blitzartiger oder dauerhafter Abstrahlcharakteristik zu verwenden. Die Entladungslampe kann eine Leuchtbogen-Entladungslampe mit intensiver breitbandiger Photonenemission sein, z.B. eine UV-Blitzröhre wie eine Xenon-Blitzröhre oder eine Wasserstoff/Deuterium-Entladungslampe oder dergleichen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Ionisierungseinrichtung bevorzugter Weise angeordnet und ausgelegt, desorbiertes Probenmaterial mit einem zeitlich auf den wenigstens einen Energieschub abgestimmten Puls elektromagnetischer Wellen zu durchstrahlen. Die Pulsdauer kann im Falle eines Puls-Lasers einige Nanosekunden betragen. Die Einstrahlungsperiode eines diskontinuierlich betriebenen Dauerstrichlasers nach dem wenigstens einen Energieschub für die Desorption, bevor die Stützeinrichtung das Substrat in eine andere Desorptionsstellung bringt, kann mehrere Mikrosekunden umfassen. Die Einstrahlungsperiode kann zum Teil mehrere zehn Mikrosekunden betragen, bis sich die Desorptionswolke stark verdünnt oder die Dichte der Desorptionswolke stark abgenommen hat. Die Zeitskala eines solchen Prozesses ist insbesondere abhängig vom Umgebungsdruck am Desorptionsort sowie dem Aufbau und Betrieb der Abzieheinrichtung, z.B. gasdynamisch und/oder elektromagnetisch, z.B. kontinuierliches oder pulsweises Wegführen von Ionen oder Kombinationen daraus, z.B. ein kontinuierlicher Gaststrom zuzüglich einer ggfs. gepulsten Abziehspannung.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Desorptionseinrichtung und die Ionisierungseinrichtung den gleichen Ausgangsstrahl kohärenter elektromagnetischer Wellen verwenden, der für die Desorption/Ablation und für die Ionisierung auf unterschiedliche Energiegehalte konditioniert wird, wie es z.B. in der Anmeldung DE 10 2016 124 889 A1 (entsprechend GB 2 558 741 A , US 2018/0174815 A1 und CN 108206126 A ) der Anmelderin beschrieben ist. Kohärentes Licht der Ausgangswellenlänge 1064 Nanometer im nahen Infrarot kann beispielsweise auf unterschiedlichen Vervielfacherstrecken für die Desorption/Ablation auf 355 Nanometer verdreifacht und für die Postdesorptions-Ionisierung auf 266 Nanometer vervierfacht werden. Die entsprechenden Vervielfacherkristalle können sich im optischen Weg entlang einer Gabelung auf parallelen Pfaden befinden, wonach der Strahlgang wieder zu einem Pfad zusammengeführt wird, bevor er abbildende lichtoptische Elemente wie Linsen, die Stützeinrichtung und das Substrat selbst durchläuft.
Um zu gewährleisten, dass jeweils nur ein Strahl einer vorbestimmten Wellenlänge die Stützeinrichtung und das Substrat durchläuft, kann eine elektro-optische Weiche am Eingang der Strahlgabelung angeordnet sein. Die elektrooptische Weiche kann je nach Schaltzustand kohärente elektromagnetische Wellen einer ersten Polarisation auf den ersten Arm der Gabelung leiten, wo sich eine erste Vervielfacherstrecke befindet z.B. für eine Energieverdreifachung, und solche einer zweiten Polarisation auf den zweiten Arm der Gabelung leiten, wo sich eine zweite Vervielfacherstrecke befindet z.B. für eine Energievervierfachung. Die Polarisation des Ausgangsstrahls lässt sich beispielsweise mit einem in der Anmeldung DE 10 2015 115 416 A1 der Anmelderin erläuterten Verfahren (entsprechend GB 2 542 500 A , US 2017/0076932 A1 und CN 106531607 A ) anpassen. Alternativ ist es auch vorstellbar, vor der Gabelung einen Strahlteiler anzuordnen, der den Ausgangsstrahl gleichzeitig auf beide parallele Pfade umleitet, und vor der Wiederzusammenführung der parallelen Pfade jeweils einen elektro-optischen Schalter pro Pfad aufzustellen, wobei der Betrieb der Schalter so aufeinander abgestimmt ist, dass jeweils nur eine von ihnen pro Zeit auf Durchlass geschaltet ist, wohingegen die entsprechend andere den Strahlgang blockiert, z.B. mittels einer schaltbaren Blende.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Abzieheinrichtung wenigstens eine Umlenkelektrode umfassen, die so angeordnet und ausgelegt ist, dass abgezogene Ionen ihre Bewegungsrichtung wenigstens einmal ändern. Die Umlenkelektrode kann dauerhaft, pulsweise oder diskontinuierlich eine elektrische Spannung empfangen, die auf Ionen je nach elektrischer Polarität anziehend oder zurückstoßend wirkt, um eine Änderung der Bewegungsrichtung zu bewirken. In weiteren Ausführungsformen kann sich die Abzieheinrichtung gasdynamischer Prinzipien bedienen, um Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial herauszuziehen und an einen Analysator weiterzuleiten. Es können beispielsweise Transferelemente wie Transferkapillaren vorgesehen sein, die einen Gasstrom zu nachgelagerten Kammern oder Räumen auf geringerem Druck erzeugen, um Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial mitzureißen. In bevorzugten Ausführungsformen vereint die Abzieheinrichtung gasdynamische Prinzipien, z.B. durch Erzeugen gezielter Gasströme, und elektrodynamische Prinzipien, z.B. durch Anlegen elektrischer Spannungen, ggfs. dauerhaft anliegend oder gepulst, um Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial herauszuziehen und an nachfolgende Komponenten wie einen Mobilitätsanalysator, Massenanalysator oder kombinierten Mobilitäts-Massenanalysator weiterzuleiten.
Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt auch ein Verfahren zum Erzeugen von Ionen aus Probenmaterial, aufweisend: - Deponieren des Probenmaterials auf einem Substrat, das wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen durchlässig ist, - Desorbieren von deponiertem Probenmaterial von einem Desorptionsort am Substrat mittels wenigstens einem Energieschub, - Ionisieren von Teilchen und/oder Molekülen in dem desorbierten Probenmaterial über dem Substrat mittels Einstrahlen elektromagnetischer Wellen, die das Substrat vor dem Zusammentreffen mit dem desorbierten Probenmaterial an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und - Herausziehen von Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial und Überführen in einen Analysator.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Probenmaterial einen Gewebeschnitt, ein Homogenisat oder vereinzelte Materialdeponate auf dem Substrat umfassen. Ein Gewebeschnitt kann beispielsweise ein mikrotomierter Dünnschnitt eines Tierorgans, z.B. Leber, Niere oder auch Gehirn von Labormäusen, sein, der massenspektrometrisch und/oder mobilitätsspektrometrisch auf die räumliche Verteilung interessierender Analytmoleküle untersucht werden soll. Eine spezielle Ausführungsform kann darin bestehen, dass Material des Gewebeschnitts durch elektromagnetische Wellen desorbiert wird, deren Wellenlänge von dem im Gewebeschnitt befindlichen Wasser (insbesondere über die ganze Schichtdicke des Gewebeschnittes, um in Transmission arbeiten zu können) stark absorbiert wird (z.B. im Nah-Infrarot). Ein Materialdeponat kann z.B. eine tropfenweise (also vereinzelt) auf einem Probenträger hergestellte Präparation wie eine MALDI-Matrixpräparation in einem Feld gleichartiger Präparationen umfassen, wie sie beispielsweise auf einem Probenträger des AnchorChip-Typs (Bruker Daltonik GmbH) vorbereitet werden. Allen diesen Probenmaterialien ist gemein, dass es eine Vielzahl von räumlich zueinander versetzten und/oder voneinander beabstandeten Desorptionsorten auf dem Substrat gibt, die in einer vorbestimmten Reihenfolge mit dem zuvor beschriebenen Verfahren oder einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung bearbeitet werden.
Besonders bevorzugt ist ein wie zuvor beschriebenes Verfahren, das auf einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung ausgeführt wird.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Abbildungen verwiesen. Die Elemente in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, sondern sollen in erster Linie die Prinzipien der Erfindung (größtenteils schematisch) veranschaulichen. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente in den verschiedenen Darstellungen.

zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
, und zeigen schematisch drei Schritte eines Betriebs der Vorrichtung aus .
zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, in dem Desorptionseinrichtung und Ionisierungseinrichtung Laserlicht des gleichen Lasersystems verwenden, um einen Energieschub oder eine Folge von Energieschüben und Postdesorptions-Ionisierung zu bewirken.
zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, in dem die Stützeinrichtung und Teile der Abzieheinrichtung in einer bepumpten Kammer angeordnet sind.
, und zeigen schematisch drei Schritte eines Betriebs eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung

Detaillierte Beschreibung
Während die Erfindung anhand einer Anzahl von Ausführungsformen dargestellt und erläutert wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet anerkennen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der in den beigefügten Patentansprüchen definierten technischen Lehre abzuweichen.
illustriert ein Aufbauschema eines ersten Ausführungsbeispiels. Gezeigt ist eine Stützeinrichtung (2), die eine Ablage (4) für ein Substrat (6) aufweist, das Probenmaterial (8) trägt. Die Ablage (4) kann eine räumliche Verstell-Einrichtung sein, beispielsweise kann sie in der Art eines x-y-Verschiebetisches ausgeführt sein, der sich in zwei Raumrichtungen verstellen lässt, um nacheinander mehrere Desorptionsorte auf dem Substrat (6) in eine Desorptionsstellung zu bringen. Alternative Verschiebeeinrichtungen ermöglichen auch eine Verstellung in z-Richtung (senkrecht zur Substratfläche), um beispielsweise lichtoptische Foki anpassen und/oder morphologische Unterschiede zwischen Probenmaterial und Substratmaterial (z.B. Glas) ausgleichen zu können. Alternativ zu der gezeigten Ausführung als solide Platte kann die Ablage (4) auch als Rahmen ausgebildet sein, der ein Substrat (6) im Wesentlichen an den Schmalseiten fasst, die großen Flächen auf der Vorder- und Rückseite jedoch weitgehend unberührt und frei lässt. Dieser Aufbau ist für den Durchtritt elektromagnetischer Wellen besonders vorteilhaft. Das Substrat (6) ist bevorzugt ein Probenträger mit Standardmaßen, wie z.B. den Maßen einer Mikrotitrationsplatte, wie sie häufig für massenspektrometrische und/oder mobilitätsspektrometrische Messungen desorbierter Moleküle verwendet wird, und ist wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen durchlässig. Es kann sich um einen in der Mikroskopie üblichen Objektträger aus Glas handeln. Beim Probenmaterial (8) kann es sich wie gezeigt um zusammenhängendes, flächiges Probenmaterial wie einen Gewebeschnitt handeln, der mit einer massenspektrometrischen Messung rasterweise abgetastet wird, um eine zweidimensionale Ansicht („Karte“) seines Molekülgehalts zu erstellen, z.B. bezüglich Biomolekülen (wie Proteinen, Peptiden, Lipiden, Glykanen usw.), Pharmazeutika, Stoffwechselprodukten und dergleichen mehr.
In der Ansicht der unterhalb der Stützeinrichtung (2) ist eine Desorptions/Ionisierungseinheit (10) gezeigt, die eine Desorptionseinrichtung (12) und eine Ionisierungseinrichtung (14) umfasst. Die Desorptionseinrichtung (12) beinhaltet in dieser Ausführung ein Lasersystem (16) zur Erzeugung eines energiereichen Laserstrahls, der über verschiedene lichtoptische Elemente wie Linsen und Spiegel derart zur Stützeinrichtung (2) geführt wird, dass er die Stützeinrichtung (2) sowie das Substrat (6) an einer Stelle durchläuft, die dem Desorptionsort an der Vorderseite des Substrats (6) entspricht. Der energiereiche Strahl kann dann mit Probenmaterial (8) am Desorptionsort auf der Vorderseite des Substrats (6) wechselwirken, und die eingetragene Energie führt zu Ablation des entsprechenden Probenmaterialausschnitts in eine sich stetig ausdehnende Wolke am Desorptionsort über dem Substrat (6). Die Führung eines energiereichen Desorptionsstrahls in Transmission durch das Substrat (6) hindurch erlaubt die Positionierung der letzten abbildenden Linse (18) in sehr geringem Abstand zum Substrat (6), wodurch eine Bündelung des Strahls in einen sehr schmalen Fokuspunkt am Desorptionsort an der Oberfläche des Substrats (6) technisch sehr leicht möglich wird, eine Voraussetzung für eine Abtastung flächigen Probenmaterials (8), z.B. eines Gewebeschnitts, mit subzellulärer Rastergröße (< 1 Mikrometer) für Einzelzellanalysen.
Die Ionisierungseinrichtung (14) beinhaltet in dieser Ausführung eine Lichtquelle (20), die beispielsweise als Lasersystem ausgeführt sein kann. Die gezeigte Ionisierungseinrichtung (14) teilt einige ihrer lichtoptischen Elemente mit der Desorptionseinrichtung (12), in dem gezeigten Beispiel einen halbdurchlässigen Spiegel (19), der für das Umlenken der von der Lichtquelle (20) ausgesandten elektromagnetischen Wellen dient, wohingegen er für den Laserstrahl der Desorptionseinrichtung (12) durchlässig ist, sowie die abbildende Linse (18), wobei die Linse (18) auch stellvertretend für ein Linsensystem stehen kann. Die Linse (18) bzw. das entsprechende Linsensystem sind bevorzugter Weise chromatisch korrigiert. Die elektromagnetischen Wellen der Lichtquelle (20) werden in einer zeitlich auf die Desorption abgestimmten Weise in Transmission durch die Stützeinrichtung (4) und das Substrat (6) in die Desorptionswolke über dem Desorptionsort geschickt, um dort direkt oder indirekt über chemische Sekundärreaktionen mit dem desorbierten Probenmaterial in der Gasphase zu wechselwirken und weitergehende Ionisierung anzuregen.
Die Ablage (4) und das Substrat (6) sowie die letzte abbildende Linse (18) sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen die gleichen Übertragungs- und ggfs. abbildenden Eigenschaften für elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlänge aufweisen, beispielsweise 355 Nanometer für den Laserstrahl der Desorptionseinrichtung (12) und 266 Nanometer für den Strahl elektromagnetischer Wellen der Ionisierungseinrichtung (14). Geeignetes Material für diese lichtdurchlässigen Elemente ist zum Beispiel Quarzglas, Calciumfluorid, vorzugsweise in chromatisch kompensierter Ausführungsform als Linsensystem.
In der Ansicht der oberhalb der Stützeinrichtung (2) ist eine Abzieheinrichtung (22) gezeigt. Die Abzieheinrichtung (22) umfasst mehrere Elektroden, die permanent oder vorübergehend mit elektrischen Spannungen beschaltet werden können, so dass Ionen aus der Desorptionswolke herausgezogen und zu einem Mobilitätsanalysatorsystem, Massenanalysatorsystem oder kombinierten Mobilitäts-Massenanalysatorsystem geführt werden (schematisch angedeutet bei 24). In einem ersten Abschnitt kann die Abzieheinrichtung (22) einen Elektrodenstapel (26) in der Form eines Hochfrequenzspannungs-Trichters umfassen, also in Reihe angeordnete Lochblenden aufweisend mittige Öffnungen, deren Größe sich über den Stapel hinweg verändert, insbesondere kleiner wird, was der stärkeren räumlichen Fokussierung der abgezogenen Ionen dient. Folglich ist die Lochblende mit der größten Öffnung dem Desorptionsort zugewandt. Hinter dem HF-Trichter (26) befindet sich seitlich des Ionenwegs eine Umlenkelektrode (28), die permanent oder vorübergehend eine Spannung empfangen kann, die Ionen mit bestimmter Polarität zurückstößt, um ihren Weg in einen zweiten HF-Trichter (30) umzulenken, der gegenüber der Umlenkelektrode (28) angeordnet ist und dessen innere Öffnungen sich von der Umlenkelektrode (28) weg verringern. Der Analysator (24), der sich in einer Umgebung mit anderem Druckniveau befinden kann, z.B. auf einem tieferen Druck, nimmt dann die räumlich noch stärker fokussierten Ionen auf und verarbeitet sie. Neutralteilchen und -moleküle in der Desorptionswolke werden von der Umlenkelektrode (28) dagegen nicht beeinflusst, können frei dissipieren und werden verdünnt.
veranschaulicht für einen ersten Schritt einen Energieschub für die Desorption von Probenmaterial (8), indem das Lasersystem (16) der Desorptionseinrichtung einen kurzen energiereichen Laserpuls (32) aussendet, der an einer Stelle rückseitig in das Probenmaterial (8) eindringt, die dem Desorptionsort entspricht, nachdem er die lichtoptischen Führungselemente, die Stützeinrichtung sowie das Substrat (6) durchlaufen hat. Beim Probenmaterial (8) kann es sich um einen flächigen Gewebeschnitt handeln, der auf einem Glasplättchen abgelegt vollflächig mit einer Matrixsubstanz behandelt worden ist, die im kristallisierten Zustand vorliegt. Das Laserlicht kann z.B. eine Wellenlänge von etwa 355 Nanometern aufweisen, wie es sich durch Frequenzverdreifachung des Lichts eines Nd:YAG-Lasers im infraroten Spektralbereich bei 1064 Nanometern erzeugen lässt. Das präparierte Probenmaterial (8) und der Energieschub oder eine Sequenz schnell aufeinander folgender gleichartiger oder wesensgleicher Energieschübe sind derart aufeinander abgestimmt, dass das Probenmaterial (8) samt Matrixsubstanz am Desorptionsort nahezu vollständig ablatiert wird. Dies lässt sich durch Pulszahl, Pulslänge und Fluenz des Laserstrahls sehr verlässlich einstellen. Flächiges Probenmaterial (8) wie ein Matrix-präparierter Gewebeschnitt mit etwa 10 Mikrometern Dicke kann örtlich gut vollständig desorbiert werden.
zeigt für einen zweiten Schritt, wie sich das ablatierte Probenmaterial in der Gasphase vom Desorptionsort weg ausdehnt und dabei verdünnt. In dem vorliegenden Beispiel sorgt die Präparation mit einer MALDI-Matrixsubstanz auf dem Substrat (6) dafür, dass die ablatierte Matrixsubstanz Ladungsträger in der Form von Protonen bereitstellt, die in der Desorptionswolke (34) an die gleichzeitig ablatierten Probenmoleküle übertragen werden und somit einen ersten Ionisierungsschritt vollziehen. Bedauerlicherweise führt die vergleichsweise geringe Ionisierungseffizienz des einfachen MALDI-Prozesses dazu (sozusagen MALDI-1), dass ein beträchtlicher Teil der ablatierten neutralen Probenmoleküle von den bei der Zuführung des Energieschubs oder der mehreren Energieschübe erzeugten Ladungsträgern nicht ionisiert wird. Die Ionisierungsausbeute kann dabei von Molekülart zu Molekülart variieren. Von Lipiden weiß man beispielsweise, dass sie relativ schlecht unter Standard-MALDI-Bedingungen ionisieren.
Um die Ionisierungsausbeute pro Energieschub oder Sequenz von Desorptions-Energieschüben weiter zu verbessern, werden - wie in für einen dritten Schritt veranschaulicht - von der Ionisierungseinrichtung energiereiche elektromagnetische Wellen (36) in das desorbierte Probenmaterial über dem Desorptionsort geleitet, wobei sie - ebenso wie die Ablationsstrahlung der Desorptionseinrichtung - die Stützeinrichtung und das Substrat (6) von der Rückseite zur Vorderseite durchlaufen. Auf diese Weise gelangen sie in die Desorptionswolke (34), wo sie mit den ablatierten Molekülen wechselwirken und insbesondere Matrixmoleküle anregen, so dass eine höhere Zahl von Ladungsträgern in Form von Protonen zur Übertragung auf ablatierte, neutrale Probenmoleküle bereitgestellt wird. Insbesondere die Ionisierung von im Probenmaterial (8) stark verdünnten oder schwer ionisierbaren Molekülen, z.B. Lipiden, profitiert davon. Die elektromagnetischen Wellen (36) können die Form von kurz hintereinander erzeugten und ausgestrahlten Pulsen annehmen, z.B. von einem Pulslaser, oder sie können einem diskontinuierlichen Betrieb der Ionisierungseinrichtung entstammen, z.B. einem zeitlich begrenzten Betrieb eines Dauerstrichlasers, wobei die zeitliche Begrenzung insbesondere im Bereich einiger Millisekunden eingestellt sein kann, oder einer zeitlich beschränkten Abstrahlperiode einer Entladungslampe.
Der Zustand aus zwischen dem Desorptionsschritt aus und dem Postdesorptions-Ionisierungsschritt aus ist als schematische Veranschaulichung zu betrachten. Die Dauer des in gezeigten Zustands zwischen Desorption und Postdesorptions-Ionisierung kann sehr kurz sein, beispielweise wenige Mikrosekunden oder nur einige Nanosekunden betragen. Es sind auch Ausführungen denkbar, in denen ein wie in gezeigter separater Zustand mit Ausdehnung einer Desorptionswolke praktisch nicht vorkommt, nämlich dann, wenn ein Energieschub oder eine Sequenz von Energieschüben für die Desorption und ein Puls elektromagnetischer Wellen für die Postdesorptions-Ionisierung nahezu ohne Zeitverzug aufeinander folgen, bei entsprechender Abstimmung der Desorptionseinrichtung und der Ionisierungseinrichtung. Dieser geringe bis nahezu fehlende Zeitverzug kann den Vorteil haben, dass die Wolke desorbierten Probenmaterials noch recht dicht ist, wenn die elektromagnetischen Wellen in sie eindringen, wodurch sich die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit zwischen Photonen und desorbierten Teilchen erhöht.
Die gebildeten Ionen können mittels permanenter oder vorübergehender elektrischer Spannungen an den Elektroden der Abzieheinrichtung (26, 28, 30) aus der Desorptionswolke herausgezogen und zum Analysator (24) geleitet werden. Der Anteil der elektromagnetischen Wellen (36), der die Desorptionswolke (34) durchlaufen hat, ohne mit den darin befindlichen Molekülen zu interagieren, kann von einem im optischen Weg hinter der Abzieheinrichtung angeordneten Strahlfänger (38) aufgenommen werden, der die energiereiche Strahlung aus der Vorrichtung entfernt, ohne dass sie an Stellen gelangt oder dort Wirkung entfalten kann, wo es nicht vorgesehen oder gewünscht ist.
Die Ionisierungseinrichtung (14) aus den bis kann mit hochenergetischer Laserstrahlung (32) arbeiten, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 266 Nanometern, die sich durch Frequenzvervierfachung eines Nd-YAG-Lasers mit infraroter Ausgangswellenlänge erzeugen lässt. Die für die Postdesorptions-Ionisierung verwendeten elektromagnetischen Wellen (36) können neben dem Einfluss auf bereits desorbiertes oder ablatiertes Probenmaterial auch Reste des Probenmaterials (8) vom Desorptionsort ablatieren oder desorbieren, sollte der desorbierende Ablationspuls oder die Folge von Ablationspulsen wider Erwarten die Substratfläche am Desorptionsort nicht vollständig freigelegt haben. Die elektromagnetischen Wellen (36) der Ionisierungseinrichtung können weiterhin mit Stücken des Probenmaterials (Debris), die beim Desorptionsvorgang entstanden und in der Desoptionswolke mitgerissen worden sind, wechselwirken, um Probenmaterial dieser Stücke in die Gasphase zu überführen und zu ionisieren. Auch dieses zusätzlich nachablatierte oder nachdesorbierte (Rest-)Probenmaterial kann die Ausbeute an zu erzeugenden Ionen weiter erhöhen und trägt damit gleichfalls zur Erfüllung der Aufgabe bei.
Nachdem die bei der Desorption/Ablation und anschließenden Postdesorptions-Ionisierung gebildeten Ionen aus der Desorptionswolke (34) abgezogen und zum analytischen System (24) weitergeleitet wurden, kann die Ablage (4) das Substrat (6) in eine weitere Desorptionsstellung verfahren (x-y-Verstellung), ggfs. einschließlich einer Anpassung des Fokus (z-Verstellung), so dass ein noch unberührter Teil des Probenmaterials (8) untersucht werden kann. Handelt es sich beim Probenmaterial (8) um einen Gewebeschnitt, kann dessen Fläche auf diese Weise in einer bestimmten Reihenfolge abgerastert werden, um eine Karte des molekularen Gehalts zu erstellen, z.B. bezüglich Lipiden, Proteinen, Peptiden, Glykanen oder dergleichen Biomolekülen, aber auch bezüglich Pharmazeutika und deren Abbauprodukten, (endogenen) Stoffwechselprodukten usw.
illustriert für eine Ausführungsform, in der sowohl Desorption/Ablation als auch Postdesorptions-Ionisierung durch energiereiche elektromagnetische Wellen (32, 36) in Transmission durch eine Ablage (4) und durch ein Substrat (6) bewirkt werden, wie in den bis gezeigt, einen abgewandelten Aufbau, indem sich Desorptionseinrichtung und Ionisierungseinrichtung nicht nur einige optische Elemente sondern auch ein Lasersystem (40) teilen. Die Abzieheinrichtung ist in diesem Beispiel der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Desorptionseinrichtung und Ionisierungseinrichtung unterscheiden sich hier insbesondere durch die zugeordneten Frequenzvervielfacherstrecken (42, 44), die einen Ausgangsstrahl oder Ausgangspuls des Lasersystems (40) auf unterschiedliche Wellenlängen konditionieren können. Dies lässt sich durch einen polarisationsabhängigen Strahlteiler (46) erreichen, der Laserlicht einer bestimmten Polarisation, die im Laserresonator des Lasersystems (40) aufgeprägt werden kann, zu einer ersten Vervielfacherstrecke (42) umlenkt, wohingegen Laserlicht mit abweichender Polarisation zu einer zweiten Vervielfacherstrecke (44) durchgelassen wird. Die unterschiedlich konditionierten Strahlen oder Pulse können dann vor dem Durchlaufen der Ablage (4) und des Substrats (6) wieder auf einen optischen Weg zusammengeführt werden. Alternativ kann der Strahlteiler (46) die elektromagnetischen Wellen des Ausgangslaserstrahls oder -pulses auch zu beiden Vervielfacherstrecken (42, 44) gleichzeitig weiterleiten. Eine Auswahl des konditionierten Strahls oder Pulses zur Leitung durch die Ablage (4) und das Substrat (6) kann durch schaltbare Blenden (48A, 48B) kurz vor der Zusammenführung der geteilten optischen Wege erfolgen.
Durch den Strahlteiler (46) lässt sich die Stärke der konditionierten Strahlen oder Pulse jedes Teilweges einstellen. Insbesondere lässt sich ein Abschwächer in wenigstens einen oder auch jeden Teilweg einbauen, um mögliche Puls-zu-Puls-Schwankungen gering zu halten. Bevorzugt können die schaltbaren Blenden mittels schneller elektrooptischer Elemente auch Pulse austasten. Andere nicht interessierende Wellenlängen können ebenfalls z.B. mittels Pellin-Broca-Prismen und/oder dichroitischer Filter ausgeblendet werden.
Vorzugsweise ist die Länge der optischen Wege für beide Teilwege gleich wie gezeigt, um die zeitliche Abstimmung des Schaltungszustands der Blenden (48A, 48B) zu vereinfachen. Es versteht sich, dass ein Teilweg auch ohne Vervielfacherstrecke auskommen kann, wenn die Ausgangswellenlänge des Lasersystems (40) bereits für einen der Zwecke, nämlich Desorption/Ablation oder Postdesorptions-Ionisierung, geeignet ist.
illustriert eine weitere Abwandlung des Aufbaus aus den bis , wobei ein dem dritten Schritt aus entsprechender Zustand gezeigt ist. Das Substrat (6) mit dem auf ihm abgelegten Probenmaterial (8) sowie einer der HF-Trichter (26) der Abzieheinrichtung sind in einer Kammer (50) angeordnet, in der sich eine konditionierte Gasumgebung erzeugen lässt. Eine Pumpe (52) ist an die Kammer (50) angeschlossen und hält vorbestimmte Druckbedingungen aufrecht. Beispielsweise kann der Druck in der Kammer (50) unterhalb des Atmosphärendrucks (< 10² Hektopascal) liegen, vorzugsweise im Feinvakuum (> 10^-3 Hektopascal), z.B. bei 1-10 Hektopascal. Gleichzeitig ist die Kammer (50) an eine Gaszuführung (54) angeschlossen, über die ein Puffergas, ein reaktives Gas (z.B. Methan), ein Feuchtegas (z.B. Wasserdampf) und/oder ein Dotiergas in die Kammer (50) eingeleitet werden kann, so dass sich ein Gleichgewicht aus Gaseintrag und Gasabfluss einstellen und steuern lässt. Als Puffergas kommen beispielsweise reaktionsträge Gase wie Stickstoff oder Helium in Frage. Als Dotiergase kommen verschiedene flüchtige Lösungsmittel in Frage, die in der Gasphase als zusätzliche Ionisierungsvermittler dienen können und mit den elektromagnetischen Wellen (36) der Ionisierungseinrichtung wechselwirken, um durch optische oder Foto-Anregung Ladungsträgerdonatoren zur Verfügung zu stellen, die Ladungsträger wie Protonen an neutrale, desorbierte Probenmoleküle übertragen. Mit dieser Vorgehensweise sind die optischen oder Foto-Anregungsprozesse in der Gasphase nicht auf desorbierte Moleküle beschränkt (wie z.B. Matrixmoleküle bei MALDI-Ionisierung) und können das Ladungsträgerangebot zum Beispiel mittels Protonendonatoren in der Gasphase über dem Desorptionsort erweitern.
bis zeigen eine weitere Ausführungsform, in der die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwirklicht sind. Die Stützeinrichtung und die Ionisierungseinrichtung können dabei der Ausführungsform aus den bis entsprechen und werden daher hier nicht näher erläutert. Unterschiede liegen insbesondere in der Desorptionseinrichtung und der Abzieheinrichtung, worauf im Folgenden näher eingegangen wird.
Die Desorptionseinrichtung umfasst in diesem Beispiel ein System, das einen energiereichen Strahl (32*) von vorne unter leicht schrägem Einfall auf das Substrat (6) richtet, welches in dieser Ausführung mit vereinzelten Probedeponaten oder Probenpräparationen (8*) belegt ist. Wenn der energiereiche Strahl (32*) ein Laserstrahl ist, der eine vereinzelte Probe (8*) ablatiert, und das Probenmaterial mit einer kondensierten MALDI-Matrixsubstanz präpariert wurde, z.B. einer organischen Säure, kann man von Ablation in einem Reflexionsmodus sprechen, im Unterschied zu Ablation in einem Transmissionsmodus, wie sie in den bis veranschaulicht ist.
Die Abzieheinrichtung enthält in dem gezeigten Beispiel neben einem HF-Trichter (26) zum Aufnehmen und räumlichen Fokussieren von Ionen aus einer Desorptionswolke, der über den Stapel von Blendenelektroden hinweg eine örtliche Aussparung zum Durchlassen des energiereichen Strahls (32*) aufweist (nicht gezeigt), auch eine Vielzahl einander gegenüber liegender Umlenkelektroden (56) hinter dem HF-Trichter (26), seitlich der Ausbreitungsrichtung der Wolke, die derart permanent oder vorübergehend mit elektrischen Spannungen beschaltet werden können, dass abgezogene Ionen ihre Bewegungsrichtung zweimal um jeweils etwa 90° ändern. Weitere Elektroden (58) einer Ionenführung können die umgelenkten Ionen dann einem angeschlossenen Analysator (nicht dargestellt) auf einem Weg zuführen, der im Wesentlichen parallel zur ursprünglichen Abzugsrichtung der Ionen durch den HF-Trichter (26) ist.
zeigt einen ersten Schritt mit der Desorption eines vereinzelten Probendeponats (8*) durch einen energiereichen, gepulsten Strahl (32*). Wie in in einem zweiten Schritt zu sehen ist, dehnt sich eine Desorptionswolke (34), die aus dem Material der abgelegten und ggfs. präparierten Probe (8*) erzeugt wurde über dem Desorptionsort auf dem Substrat (6) aus, in diesem Fall leicht schräg gegenüber der Flächennormalen über dem Substrat (6), da auch die Einfallsrichtung der desorbierenden Pulsfolge (32*) entsprechend angewinkelt ist. zeigt wiederum das Auslösen eines gepulsten Postdesorptions-Ionisierungsstrahls elektromagnetischer Wellen (36), die die Stützeinrichtung und das Substrat (6) in Transmission von der Rückseite zur Vorderseite an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und die Desorptionswolke (34) in deren Ausbreitungsrichtung vollständig durchdringen. Die in die Wolke (34) eingetragene Energie dient zur Anregung von desorbierten Neutralmolekülen mit daraus folgender Erhöhung des Ladungsträgerangebots, wodurch die Ionisierungswahrscheinlichkeit steigt und die Nachweisempfindlichkeit im angeschlossenen Analysator (nicht gezeigt) verbessert wird.
Die erzeugten Ionen folgen im Wesentlichen dem durch die Pfeile angedeuteten Weg zwischen den Umlenkelektroden (56, 58) der Abzieheinrichtung, wohingegen neutrale Bestandteile im Quellbereich dissipieren und sich verdünnen. Ungenutzte Anteile der elektromagnetischen Wellen (36) der Ionisierungseinrichtung können wiederum von einem Strahlfänger (38) im optischen Weg aufgenommen und neutralisiert werden.
Nachdem die bei der Desorption und anschließenden Postdesorptions-Ionisierung gebildeten Ionen aus der Desorptionswolke (34) abgezogen und zum analytischen System weitergeleitet wurden, kann die Ablage (4) das Substrat (6) in eine weitere Desorptionsstellung verfahren (x-y-Verstellung), ggfs. einschließlich einer Anpassung des Fokus (z-Verstellung), so dass eine noch unbearbeitete vereinzelte Probe (8*) untersucht werden kann, wie es beispielsweise für MALDI-Einzelpräparationen auf einer AnchorChip-Platte üblich ist.
Neben den beispielhaft erläuterten Ausführungen sind noch weitere Ausführungsformen der Erfindung denkbar. In Kenntnis dieser Offenbarung ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, weitere vorteilhafte Ausführungsformen zu entwerfen, die vom Schutzbereich der Patentansprüche unter Einschluss etwaiger Äquivalente umfasst sein sollen.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen aus Probenmaterial (8; 8*), das auf einem wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen (32, 36) durchlässigen Substrat (6) deponiert ist, aufweisend: - eine Stützeinrichtung (2), die eine Halterung (4) für das Substrat (6) aufweist, - eine Desorptions/Ionisierungseinheit (10), welche eine Desorptionseinrichtung (12) und eine Ionisierungseinrichtung (14) umfasst, wobei die Desorptionseinrichtung (12) angeordnet und ausgelegt ist, deponiertes Probenmaterial (8; 8*) mittels wenigstens einem Energieschub von einem Desorptionsort am Substrat (6) zu desorbieren, und wobei die Ionisierungseinrichtung (14) angeordnet und ausgelegt ist, das desorbierte Probenmaterial (34) über dem Substrat (6) nach dem wenigstens einen Energieschub mittels elektromagnetischer Wellen (36) zu durchstrahlen, wobei die elektromagnetischen Wellen (36) das Substrat (6) vor dem Zusammentreffen mit dem desorbierten Probenmaterial (34) an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und - eine Abzieheinrichtung (22), die angeordnet und ausgelegt ist, Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial (34) herauszuziehen und in einen Analysator (24) zu überführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Stützeinrichtung (2) eine Kammer (50) umfasst, in der sich die Halterung für das Substrat (6) befindet und die angeordnet und ausgelegt ist, eine konditionierte Umgebung für das Substrat (6) einschließlich deponiertem Probenmaterial (8) zu schaffen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Kammer (50) an eine Unterdruckquelle (52) zum Evakuieren der Umgebung des deponierten Probenmaterials (8) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der die Kammer (50) an eine Gaszuführeinrichtung (54) angeschlossen ist, die so angeordnet und ausgelegt ist, dass ein reaktionsträges Puffergas, ein reaktives Gas, ein Feuchtegas und/oder ein für die elektromagnetischen Wellen (36) empfängliches Dotiergas in die Kammer (50) eingetragen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Desorptionseinrichtung (12) angeordnet und ausgelegt ist, einen energetischen Strahl (32, 32*) auf das deponierte Probenmaterial (8; 8*) zu richten, um den wenigstens einen Energieschub auszulösen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der energetische Strahl (32, 32*) ein Laserstrahl ist, um das deponierte Probenmaterial (8; 8*) zu ablatieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der der energetische Strahl (32) das Substrat (6) an der Stelle, die dem Desorptionsort entspricht, vor dem Zusammentreffen mit dem deponierten Probenmaterial (8; 8*) durchläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Ionisierungseinrichtung (14) einen Laser (20) zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Wellen (36), eine Entladungslampe oder eine Licht-emittierende Diode (LED) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Laser (20) im Pulsbetrieb oder diskontinuierlichen Dauerstrichbetrieb arbeitet bzw. die Entladungslampe oder LED eine blitzartige oder dauerhafte Abstrahlcharakteristik aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Ionisierungseinrichtung (14) angeordnet und ausgelegt ist, das desorbierte Probenmaterial (34) mit einem zeitlich auf den wenigstens einen Energieschub abgestimmten Puls elektromagnetischer Wellen (36) zu durchstrahlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der die Desorptionseinrichtung (12) und die Ionisierungseinrichtung (14) einen gleichen Ausgangsstrahl kohärenter elektromagnetischer Wellen (32, 36) verwenden, der für Desorption/Ablation und Ionisierung auf unterschiedliche Energiegehalte konditioniert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Abzieheinrichtung (22) wenigstens eine Umlenkelektrode (28; 56, 58) umfasst, die so angeordnet und ausgelegt ist, dass abgezogene Ionen ihre Bewegungsrichtung wenigstens einmal ändern.
Verfahren zum Erzeugen von Ionen aus Probenmaterial (8; 8*), aufweisend: - Deponieren des Probenmaterials (8; 8*) auf einem Substrat (6), das wenigstens teilweise für elektromagnetische Wellen (32, 36) durchlässig ist, - Desorbieren des deponierten Probenmaterials (8; 8*) von einem Desorptionsort am Substrat (6) mittels wenigstens einem Energieschub, - Ionisieren von Teilchen und/oder Molekülen im desorbierten Probenmaterial (34) über dem Substrat (6) nach dem wenigstens einen Energieschub mittels Einstrahlen elektromagnetischer Wellen (36), die das Substrat (6) vor dem Zusammentreffen mit dem desorbierten Probenmaterial (34) an einer Stelle durchlaufen, die dem Desorptionsort entspricht, und - Herausziehen von Ionen aus dem desorbierten Probenmaterial (34) und Überführen in einen Analysator (24).
Verfahren nach Anspruch 13, bei der das Probenmaterial (8; 8*) einen Gewebeschnitt, ein Homogenisat oder vereinzelte Materialdeponate auf dem Substrat (6) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, das auf einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt wird.