DE112004000968T5

DE112004000968T5 - Verfahren, Zusammensetzungen und Vorrichtungen zum Durchführen von Ionisationsdesorption auf Siliziumderivaten

Info

Publication number: DE112004000968T5
Application number: DE112004000968T
Authority: DE
Inventors: Gary San Diego Siuzdak; Eden San Diego Go; Zhouxin San Diego Shen; Bruce Lexington Compton; Edouard S.P. Stow Bouvier
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2006-04-20
Also published as: GB2425837B; US20060157648A1; WO2005001423A2; GB0525695D0; JP2007526446A; JP4612627B2; WO2005001423A3; GB2425837A

Abstract

Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium, umfassend ein Substrat der Formel:

worin X ein H-Atom oder Y ist, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder -O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind, und der Buchstabe "n" eine ganze Zahl von 1 bis Unendlich darstellt und jegliche freie Valenzen Siliziumatome, Wasserstoffatome oder Verunreinigungen sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teil-Weiterführung einer am 6. Juni 2003 eingereichten vorläufigen Anmeldung mit der Seriennummer 60/476,762, Anwaltsverzeichnis-Nr. WAA-352, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist.
ANGABE ZU STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG
KEINE ANGABE
GEBIET DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Substrate von Silizium, die für ein Durchführen einer Ionisationsdesorption verwendet werden. Diese Substrate werden in mit Lasern ausgestatteten Massenspektroskopieinstrumenten eingesetzt. Erfindungsgemäße Substrate stellen konsistente Ergebnisse nach wiederholter Verwendung bereit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Substrate von porösem Silizium werden in Verbindung mit Massenspektrometern, die mit Lasern ausgestattet sind, verwendet, um Probenanalysen durchzuführen. Das Substrat liegt in Form eines Chips mit Ausmaßen von etwa drei bis fünf Zentimetern und einer Stärke von 0,5 Millimetern vor. Eine Probe, die im Allgemeinen in Form einer wässrigen Lösung vorliegt, in der eine oder mehrere Verbindungen gelöst sind, wird auf dem Substrat aufgenommen. Das Substrat wird in eine Halterung in unmittelbarer Nähe zu dem Einlass eines Massenspektrometers einge bracht. Ein Laserimpuls wird auf die Probe gerichtet und ein Teil der Probe wird von der Oberfläche des Substrats durch den Laser ionisiert und verdampft.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "verdampft" einen Übergang in einen gasförmigen Zustand. Der Begriff "ionisiert" betrifft das Aufweisen einer positiven oder negativen Ladung.

Ein weiterer Teil der ionisierten Probe wird von dem Massenanalysator, z.B. einem Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer, aufgenommen. Das Massenspektrometer stellt Information hinsichtlich der Masse und Ladung der ionisierten Moleküle bereit, die von der Probe umfasst sind. Dieses Verfahren, die Ausrüstung und die Substrate sind in der US-PS 6,288,390 beschrieben.

Wie hierin verwendet, betrifft der Begriff "DIOS" eine Desorptionsionisation auf Silizium und die Bestimmung von Masse- und Ladungsinformation von Ionen, die durch Laserionisation gebildet werden. Solche Masse- und Ladungsinformation liegt typischerweise in Form eines Masse-zu-Ladung-Verhältnisses vor.

Substrate von porösem Silizium weisen eine Siliziumwasserstoff-Oberfläche auf. Diese Siliziumwasserstoff-Oberflächen oxidieren im Laufe der Zeit. Diese Veränderung der Oberflächenchemie beeinflusst den Ionisations- und Verdampfungsvorgang. Ergebnisse von dem Massenspektrometer mit dem gleichen Substrat verschieben sich im Laufe der Zeit aufgrund der Veränderung in der Oberflächenchemie.

Eine stabilere Oberflächenchemie würde eine höhere Sensitivität bei DIOS-Verfahren bereitstellen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen beschreiben eine solche Chemie unter Verweis auf die nachstehenden Wörter und Ausdrücke, wobei diese Wörter und Ausdrücke zum Zwecke der Klarheit definiert werden.

Der Begriff "aliphatische Gruppe" beinhaltet organische Verbindungen, die sich durch gerade oder verzweigte Ketten mit typischerweise 1 bis 22 Kohlenstoffatomen auszeichnen. Aliphatische Gruppen beinhalten Alkylgruppen, Alkenylgruppen und Alkinylgruppen. In komplexen Strukturen können die Ketten verzweigt oder vernetzt sein. Alkylgruppen beinhalten gesättigte Kohlenwasserstoffe mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen, einschließlich geradkettiger Alkylgruppen und verzweigtkettiger Alkylgruppen. Solche Kohlenwasserstoffgruppen können an einem oder mehreren Kohlenstoffatomen mit beispielsweise einem Halogenatom, einer Hydroxyl-, Thiol-, Amino-, Alkoxy-, Alkylcarboxy-, Alkylthio- oder Nitrogruppe substituiert sein. Wenn die Anzahl an Kohlenstoffatomen nicht anderweitig spezifiziert ist, betrifft "niederaliphatisch" wie hierin verwendet eine aliphatische Gruppe wie vorstehend definiert (z.B. Niederalkyl-, Niederalkenyl-, Niederalkinylgruppe), die jedoch ein bis sechs Kohlenstoffatome aufweist. Beispiele für solche niederaliphatischen Gruppen wie Niederalkylgruppen sind Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, Isopropyl-, 2-Chlorpropyl-, n-Butyl-, sec-Butyl-, 2-Aminobutyl-, Isobutyl-, tert-Butyl-, 3-Thiopentylgruppen und dergleichen.

Wie hierin verwendet, betrifft der Begriff "Nitrogruppe" eine -NO₂-Gruppe. Der Begriff "Halogenatom" bezeichnet -F-, -Cl-, -Br- oder -I-Atome. Der Begriff "Thiolgruppe" betrifft eine SH-Gruppe. Der Begriff "Hydroxylgruppe" betrifft eine -OH-Gruppe.

Der Begriff "alicyclische Gruppe" beinhaltet geschlossene Ringstrukturen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen. Alicyclische Gruppen beinhalten Cycloparaffine, die gesättigte cyclische Kohlenwasserstoffe sind, Cycloolefine und Naphthalene, die mit zwei oder mehreren Doppelbindungen ungesättigt sind, und Cycloacetylene, die eine Dreifachbindung aufweisen. Sie beinhalten keine aromatischen Gruppen. Beispiele für Cycloparaffine beinhalten Cyclopropan, Cyclohexan und Cyclopentan. Beispiele für Cycloolefine beinhalten Cyclopentadien und Cyclooctatetraen. Alicyclische Gruppen beinhalten auch kondensierte Ringstrukturen und substituierte alicyclische Gruppen wie Alkyl-substituierte alicyclische Gruppen. Im Fall der alicyclischen Gruppen können solche Substituenten ferner eine Niederalkyl-, Niederalkenyl-, Niederalkoxy-, Niederalkylthio-, Niederalkylamino-, Niederalkylcarboxyl-, Nitro-, Hydroxyl-, -CF₃-, -CN-Gruppe oder dergleichen umfassen.

Der Begriff "heterocyclische Gruppe" beinhaltet geschlossene Ringstrukturen, worin eines oder mehrere der Atome in dem Ring ein von Kohlenstoffatom verschiedenes Element, z.B. ein Stickstoff-, Schwefel- oder Sauerstoffatom, ist. Heterocyclische Gruppen können gesättigt oder ungesättigt sein und heterocyclische Gruppen wie Pyrrol und Furan können einen aromatischen Charakter aufweisen. Sie beinhalten kondensierte Ringstrukturen wie Chinolin und Isochinolin. Weitere Beispiele für heterocyclische Gruppen beinhalten Pyridin und Purin. Heterocyclische Gruppen können auch an einem oder mehreren konstituierenden Atomen mit beispielsweise einem Halogenatom, einer Niederalkyl-, Niederalkenyl-, Niederalkoxy-, Niederalkylthio-, Niederalkylamino-, Niederalkylcarboxyl-, Nitro-, Hydroxyl-, -CF₃-, -CN-Gruppe oder dergleichen substituiert sein. Geeignete heteroaromatische und heteroalicyclische Gruppen werden im Allgemeinen 1 bis 3 getrennte oder kondensierte Ringe mit 3 bis etwa 8 Mitgliedern pro Ring und einem oder mehreren N-, O- oder S-Atomen aufweisen, wie Coumarinyl-, Chinolinyl-, Pyridyl-, Pyrazinyl-, Pyrimidyl-, Furyl-, Pyrrolyl-, Thienyl-, Thiazolyl-, Oxazolyl-, Imidazolyl-, Indolyl-, Benzofuranyl-, Benzothiazolyl-, Tetrahydrofuranyl-, Tetrahydropyranyl-, Piperidinyl-, Morpholino- und Pyrrolidinylgruppen.

Der Begriff "aromatische Gruppe" beinhaltet ungesättigte cyclische Kohlenwasserstoffe mit einem oder mehreren Ringen. Aromatische Gruppen beinhalten 5- und 6-gliedrige Gruppen mit einem einzigen Ring, die Null bis vier Heteroatome enthalten können, wie Benzol-, Pyrrol-, Furan-, Thiophen-, Imidazol-, Oxazol-, Thiazol-, Triazol-, Pyrazol-, Pyridin-, Pyrazin-, Pyridazin- und Pyrimidingruppen und dergleichen. Der aromatische Ring kann an einer oder mehreren Ringpositionen mit beispielsweise einem Halogenatom, einer Niederalkyl-, Niederalkenyl-, Niederalkoxy-, Niederalkylthio-, Niederalkylamino-, Niederalkylcarboxyl-, Nitro-, Hydroxyl-, -CF₃-, -CN-Gruppe oder dergleichen substituiert sein.

Der Begriff "Alkylgruppe" beinhaltet gesättigte aliphatische Gruppen, einschließlich geradkettiger Alkylgruppen, verzweigtkettiger Alkylgruppen, Cycloalkylgruppen (alicyclische Gruppen), Alkyl-substituierter Cycloalkylgruppen und Cycloalkyl-substituierter Alkylgruppen. In bevorzugten Ausführungsformen weist eine geradkettige oder verzweigtkettige Alkylgruppe 20 oder weniger Kohlenstoffatome in ihrem Rückgrat auf (z.B. C₁-C₂₀ im Fall von geradkettigen Alkylgruppen, C₃-C₂₀ im Fall von verzweigtkettigen Alkylgruppen) und mehr bevorzugt weist sie 12 oder weniger Kohlenstoffatome in ihrem Rückgrat auf. In ähnlicher Weise weisen bevorzugte Cycloalkylgruppen 4 bis 10 Kohlenstoffatome in ihrer Ringstruktur und mehr bevorzugt 4 bis 7 Kohlenstoffatome in der Ringstruktur auf. Der Begriff "Niederalkylgruppe" betrifft Alkylgruppen mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen in der Kette und Cycloalkylgruppen mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen in der Ringstruktur.

Darüber hinaus beinhaltet der Begriff "Alkylgruppe" (einschließlich "Niederalkylgruppe"), wie er in der gesamten Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, sowohl "unsubstituierte Alkylgruppen", als auch "substituierte Alkylgruppen", wobei das Letztere Alkylgruppen mit Substituenten bezeichnet, die ein Wasserstoffatom an einem oder mehreren Kohlenstoffatomen des Kohlenwasserstoffrückgrats ersetzen. Solche Substituenten können beispielsweise Halogenatome, Hydroxyl-, Alkylcarbonyloxy-, Arylcarbonyloxy-, Alkoxycarbonyloxy-, Aryloxycarbonyloxy-, Carboxylat-, Alkylcarbonyl-, Alkoxycarbonyl-, Aminocarbonyl-, Alkylthiocarbonyl-, Alkoxyl-, Phosphat-, Phosphonato-, Phosphinato-, Cyan-, Amino- (einschließlich A1kylamino-, Dialkylamino-, Arylamino-, Diarylamino- und Alkylarylamino-), Acylamino- (einschließlich Alkylcarbonylamino-, Arylcarbonylamino-, Carbamoyl- und Ureido-), Amidino-, Imino-, Sulfhydryl-, Alkylthio-, Arylthio-, Thiocarboxylat-, Sulfat-, Sulfonato-, Sulfamoyl-, Sulfonamid-, Nitro-, Trifluormethyl-, Cyan-, Azid-, Heterocyclyl-, Aralkylgruppen oder aromatische oder heteroaromatische Gruppen beinhalten. Der Fachmann wird verstehen, dass die an der Kohlenwasserstoffkette substituierten Gruppen, falls geeignet, ihrerseits substituiert sein können. Cycloalkylgruppen können weiter mit beispielsweise den vorstehend beschriebenen Substituenten substituiert sein. Eine "Aralkylgruppe" ist eine Alkylgruppe, die mit einer Arylgruppe wie einer Arylgruppe mit 1 bis 3 getrennten oder kondensierten Ringen und 6 bis etwa 18 Kohlenstoff-Ringatomen substituiert ist, wie eine Phenylmethylgruppe (Benzylgruppe).

Der Begriff "Alkylaminogruppe" wie hierin verwendet betrifft eine Alkylgruppe wie hier definiert mit einer daran gebundenen Aminogruppe. Geeignete Alkylaminogruppen beinhalten Gruppen mit 1 bis etwa 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen. Der Begriff "Alkylthiogruppe" betrifft eine Alkylgruppe wie vorstehend definiert mit einer daran gebundenen Sulfhydrylgruppe. Geeignete Alkylthiogruppen beinhalten Gruppen mit 1 bis etwa 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen. Der Begriff "Alkylcarboxylgruppe" wie hierin verwendet betrifft eine Alkylgruppe wie vorstehend definiert mit einer daran gebundenen Carboxylgruppe. Der Begriff "Alkoxygruppe" wie hierin verwendet betrifft eine Alkylgruppe wie vorstehend definiert mit einem daran gebundenen Sauerstoffatom. Beispiele für Alkoxygruppen beinhalten Gruppen mit 1 bis etwa 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen, wie Methoxy-, Ethoxy-, Propoxy-, tert-Butoxygruppen und dergleichen. Die Begriffe "Alkenylgruppe" und "Alkinylgruppe" betreffen ungesättigte aliphatische Gruppen, die zu Alkylgruppen analog sind, jedoch mindestens eine Doppel- oder Dreifachbindung enthalten. Geeignete Alkenyl- und Alkinylgruppen beinhalten Gruppen mit 2 bis etwa 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen.

Der Begriff "Arylgruppe" beinhaltet 5- und 6-gliedrige aromatische Gruppen mit einem einzigen Ring, die Null bis vier Heteroatome enthalten können, wie unsubstituierte oder substituierte Benzol-, Pyrrol-, Furan-, Thiophen-, Imidazol-, Oxazol-, Thiazol-, Triazol-, Pyrazol-, Pyridin-, Pyrazin-, Pyridazin- und Pyrimidingruppen und dergleichen. Arylgruppen beinhalten auch polycyclische kondensierte aromatische Gruppen wie Naphthyl-, Chinolyl-, Indolylgruppen und dergleichen. Der aromatische Ring kann an einer oder mehreren Ringpositionen mit Substituenten, wie sie beispielsweise vorstehend für Alkylgruppen beschrieben sind, substituiert sein. Geeignete Arylgruppen beinhalten unsubstituierte und substituierte Phenylgruppen. Der Begriff "Aryloxygruppe" wie hierin verwendet betrifft eine Arylgruppe wie vorstehend definiert mit einem daran gebundenen Sauerstoffatom. Der Begriff "Aralkoxygruppe" wie hierin verwendet betrifft eine Aralkylgruppe wie vorstehend definiert mit einem daran gebundenen Sauerstoffatom. Geeignete Aralkoxygruppen weisen 1 bis 3 getrennte oder kondensierte Ringe und 6 bis etwa 18 Kohlenstoff Ringatome auf, wie O-Benzylgruppe.

Der Begriff "Aminogruppe" wie hierin verwendet betrifft eine unsubstituierte oder substituierte Gruppe der Formel -NR_aR_b, worin R_a und R_b jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine Alkyl-, Aryl- oder Heterocyclylgruppe sind, oder R_a und R_b mit dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, zusammengenommen eine cyclische Gruppe mit 3 bis 8 Atomen in dem Ring bilden. Somit beinhaltet der Begriff "Aminogruppe" cyclische Aminogruppen wie Piperidinyl- oder Pyrrolidinylgruppen, wenn nicht anders angegeben. Eine "Amino-substituierte Aminogruppe" betrifft eine Aminogruppe, worin mindestens eine der Gruppen R_a und R_b weiter mit einer Aminogruppe substituiert ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf porösem Silizium, Verfahren zum Durchführen einer solchen Ionisationsdesorption und Verfahren zum Herstellen von Substraten. Eine Ausführungsform, die ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium betrifft, umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche der Formel:

Wie vorstehend verwendet, ist X ein H-Atom oder Y, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind.

Der Buchstabe "n" stellt eine ganze Zahl von 1 bis Unendlich dar und jegliche freie Valenzen sind Siliziumatome, Wasserstoffatome oder Verunreinigungen.

Substrate mit einer vorstehend beschriebenen Oberfläche sind gegenüber weiteren Oxidationsreaktionen resistent. Somit stellen solche Substrate konsistente Ergebnisse im Laufe der Zeit und über wiederholte Ionisationsereignisse bereit.

Vorzugsweise beträgt der Molprozent-Wert 25 bis 50 und mehr bevorzugt 40 bis 50.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist Y eine Hydroxylgruppe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist Y eine Hydroxylgruppe und ein Anteil von Y entspricht der nachstehenden Formel III:

Noch mehr bevorzugt sind R₁, R₂ und R₃ Methylgruppen oder Alkyl-Kohlenstoffketten mit weniger als oder gleich 18 Kohlenstoffatomen. Falls Y der Formel III entspricht, ist der Molprozent-Wert der Formel III vorzugsweise 2 bis 50. Jedoch begrenzen sterische Probleme im Allgemeinen den Molprozent-Wert von Formel III-Zusammensetzungen auf 6 bis 10.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats für eine Durchführung einer Ionisationsdesorption auf porösem Silizium. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Bereitstellens einer Oberfläche, die Siliziumwasserstoff auf einem porösen Siliziumsubstrat umfasst. Mindestens 5 Molprozent des Siliziumwasserstoffs werden mit Sauerstoff umgesetzt, um ein Siliziumoxid auszubilden.

Vorzugsweise ist der Sauerstoff eine reaktive Form wie Ozon.

Vorzugsweise wird das Siliziumoxid mit einer Verbindung der Formel WY umgesetzt, wobei W ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Halogenatomen, Methoxy-, Alkoxy- oder Ethoxygruppen, und Y der nachstehenden Formel IV entspricht:

R₁, R₂ und R₃ werden in der gleichen Bedeutung wie vorstehend beschrieben verwendet. Eine bevorzugte Verbindung der Formel WY ist Trimethylchlorsilan.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Durchführen einer Laserdesorptionsionisation auf porösem Silizium. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Bereitstellens einer Probe auf einer porösen Siliziumoberfläche der Formel:

worin X und der Buchstabe "n" die vorstehend beschriebene Bedeutung aufweisen.

Substrate mit einer vorstehend beschriebenen Oberfläche sind gegenüber weiteren Oxidationsreaktionen resistent. Somit stellen solche Substrate konsistente Ergebnisse im Laufe der Zeit und über wiederholte Ionisationsereignisse bereit. Die Oberflächen können auch derivatisiert werden, um Selektivität bei der Adsorption bereitzustellen. Zum Beispiel können, falls die Modifikation der Oberfläche Kationenaustauscherfunktionen aufweist, basische Verbindungen innerhalb der Probe, die auf die Oberfläche aufgebracht werden, selektiv zurückgehalten werden.

Diese Vorteile und Merkmale, sowie weitere werden weiter in den nachstehenden Zeichnungen und der nachstehenden genauen Beschreibung dargestellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Substrat zum Durchführen einer Desorptionsionisation auf Silizium mit erfindungsgemäßen Merkmalen.

2 zeigt ein Massenspektrometer, das mit einem Laser zum Durchführen einer Desorptionsionisation auf einem Siliziumsubstrat ausgerüstet ist, wobei erfindungsgemäße Merkmale eingesetzt werden.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird detailliert als ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf porösem Silizium, Verfahren zum Durchführen einer solchen Ionisa tionsdesorption und Verfahren zum Herstellen von Substraten beschrieben werden. Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden im Hinblick auf ein System beschrieben werden, in dem eine Probe für eine Verwendung in einem Massenanalysator ionisiert und verdampft wird. Jedoch wird der Fachmann sofort erkennen, dass die Erfindung in allen Anwendungen einsetzbar ist, in denen eine Probe ionisiert und verdampft wird.

Eine Ausführungsform betrifft ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium. Ein Substrat, das erfindungsgemäße Merkmale verkörpert und allgemein durch die Zahl 11 bezeichnet ist, ist in 1 gezeigt. Das Substrat weist typischerweise eine rechteckige oder quadratische Form auf und weist Abmessungen von etwa drei bis vier Zentimetern Länge, vier bis fünf Zentimetern Breite und einem halbem Millimeter Stärke auf. Diese Abmessungen und diese Form des Substrats sind für die Funktion des Substrats nicht entscheidend, spiegeln jedoch gegenwärtige Herstellungs- und Anwendungsvorzüge wider. Herkömmlicherweise wird ein solches Substrat 11 mit Abmessungen hergestellt, die mit Halterungen und anderen Laborvorrichtungen wie 96 Well-Vorrichtungen zusammenwirken.

Das Substrat 11 weist eine Oberfläche 13 auf, die sich um den Artikel erstreckt. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Merkmale hauptsächlich mit der Arbeitsoberfläche befasst, auf der Ionisationsereignisse auftreten werden. Die Oberfläche 13 weist Proben auf, die durch die Zahl 15 identifiziert sind, was die Arbeitsoberfläche des Substrats 11 bezeichnet. Die Oberfläche 13 ist porös, um ein Zurückhalten der Probe 15 zu erleichtern. Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoberfläche sind bekannt und beispielsweise in der US-PS 6,288,390 beschrieben. Solche Oberflächen werden normalerweise durch Laserätzen einer Siliziumoberfläche hergestellt.

Das Substrat 11 weist eine innere Masseneinheit mit einer Siliziumzusammensetzung auf. Die Oberfläche 13 weist eine Zusammensetzung auf, die die Begrenzung der Siliziummasse widerspiegelt. Die Oberfläche 13 weist eine Zusammensetzung der Formel:

auf.

Wie vorstehend verwendet, ist X ein H-Atom oder Y, worin mindestens 25 Molprozent von X Y sind und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder -O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₆-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, und R⁶ eine C₁- bis C₃₆-gerade, cyclische oder verzweigte Alkyl- (wie C₁₈, Cyanpropyl-), Aryl- oder Alkoxygruppe sein kann, worin die Gruppen von R⁶ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind.

Der Buchstabe "n" entspricht einer ganzen Zahl von 1 bis Unendlich und jegliche freie Valenzen sind Siliziumatome, Wasserstoffatome oder Verunreinigungen.

Die Substrate 11 mit einer vorstehend beschriebenen Oberfläche 13 sind gegenüber weiteren Oxidationsreaktionen resistent. Somit stellen solche Substrate 11 konsistente Ergebnisse im Laufe der Zeit und über wiederholte Ionisationsereignisse bereit. Zum Beispiel werden Substrate zum Durchführen einer Desorptionsionisation routinemäßig wiederholt eingesetzt. Substrate mit einer Hydrid-Oberflächenchemie reagieren in Reaktion auf Energie, die in dem Ionisationsvorgang aufgenommen wird, die Probe und die Atmosphäre. Diese Veränderungen der Oberflächenchemie ändern die Art und Weise, in der eine weitere Probe auf weitere Ionisationsereignisse reagieren wird. Die Ergebnisse aus darauffolgenden Ionisationsereignissen unterscheiden sich von frühen Ionisationsereignissen, was unerwünscht ist.

Für eine bessere Konsistenz der Ergebnisse beträgt der Molprozent-Wert 25 bis 50 und mehr bevorzugt 40 bis 50.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist Y eine Hydroxylgruppe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht mindestens ein Teil von Y der nachstehenden Formel III:

Noch mehr bevorzugt sind R₁, R₂ und R₃ Methylgruppen oder Alkyl-Kohlenstoffketten mit weniger als oder gleich 18 Kohlenstoffatomen. Noch mehr bevorzugt sind R₁, R₂ und R₃ Methylgruppen. Aufgrund einer sterischen Hinderung beträgt der Molprozent-Wert von Formel III-Zusammensetzungen vorzugsweise mindestens 2 und mehr bevorzugt 6 bis 10.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats zur Durchführung einer Ionisationsdesorption auf porösem Silizium. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Bereitstellens einer Oberfläche, die Siliziumwasserstoff auf einem porösem Siliziumsubstrat umfasst. Mindestens 5 Molprozent des Siliziumwasserstoffs werden mit Sauerstoff umgesetzt, um ein Siliziumoxid auszubilden.

Vorzugsweise liegt der Sauerstoff in einer reaktiven Form wie Ozon vor. Verfahren zum Umsetzen von Siliziumoberflächen mit Ozon sind bekannt. Die Siliziumoberflächen werden gegenüber einer Atmosphäre an konzentriertem Ozon ausgesetzt und es wird ihnen ermöglicht, sich umzusetzen, um ein Siliziumoxid auszubilden.

Vorzugsweise wird das Siliziumoxid mit einer Verbindung der Formel WY umgesetzt, worin W ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Halogenatomen, Methoxy-, Alkoxy- oder Ethoxygruppen, und Y der nachstehenden Formel IV entspricht:

R₁, R₂ und R₃ werden in der vorstehend beschriebenen Bedeutung verwendet. Die durch WY dargestellte Verbindung kann ein jegliches Organosilan umfassen. Eine bevorzugte Verbindung der Formel WY ist Trimethylchlorsilan. Eine weitere bevorzugte Verbindung ist Aminopropyldimethylethoxysilan.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Durchführen einer Laserdesorptionsionisation auf porösem Silizium. Das Verfahren wird im Hinblick auf die in 2 dargestellte Vorrichtung beschrieben werden. Eine Vorrichtung zum Durchführen einer Laserdesorptionsionisation auf porösem Silizium, allgemein durch die Zahl 31 bezeichnet, weist die nachstehenden Hauptelemente auf: ein poröses Substrat 11, einen Laser 35 und ein Massenspektrometer 37.

Das poröse Substrat 11 wird in Ausrichtung mit dem Laser 35 mittels einer Halterung (nicht gezeigt) einer bekannten Standardkonfiguration gehalten. Das poröse Substrat 11 wird in unmittelbarer Nähe zu dem Einlass (nicht gezeigt) des Massenspektrometers 37 positioniert.

Das Massenspektrometer 37 entspricht dem herkömmlichen Flugzeit-Typ und weist eine bekannte Konfiguration auf. Daher ist das Massenspektrometer 37 nicht im Detail dargestellt.

Eine Probe 15 wird auf die poröse Siliziumoberfläche 13 des Substrats 11 gegeben. Die poröse Siliziumoberfläche 13 weist eine Oberflächenchemie auf, die die Formel:

aufweist, worin X und der Buchstabe "n" die vorstehend beschriebene Bedeutung aufweisen.

Der Laser 35 wird entladen oder gepulst, wodurch ein Teil der Probe 15 ionisiert und verdampft wird. Dampf, Ionen und Gase werden in den Einlass des Massenspektrometers 37 für eine Analyse eingezogen. Das Massenspektrometer 37 stellt Masse- und Ladungsinformation wie das Masse-zu-Ladung-Verhältnis hinsichtlich der aufgenommen Ionen bereit.

Die Substrate 11 mit einer Oberfläche 13 wie vorstehend beschrieben sind gegenüber weiteren Oxidationsreaktionen resistent. Somit stellen solche Substrate konsistente Ergebnisse im Laufe der Zeit und über wiederholte Ionisationsereignisse bereit.

Beispiel 1
Die Siliziumoxidoberfläche eines Substrats wurde mit Trimethylchlorsilan umgesetzt und sodann mit reinem Isopropanol gewaschen. Eine Probe an verdautem Rinderserumalbumin (BSA) wurde auf die Oberfläche aufgetragen und unter Verwendung eines Matrix-gestützten Laser-Desorption-Ionisation-Massenspektrometer (MALDI-MS)-Instruments analysiert. 500 amol konnten bei einer Konzentration nachgewiesen werden, die vergleichbar zu derjenigen war, die durch ein DIOS-MS von einer Siliziumwasserstoff-Oberfläche nachgewiesen wurde. DIOS-MS erfolgte auf der Trimethylsilan (TMS)-derivatisierten Oberfläche über den Verlauf mehrerer Wochen und keine Verminderung der Signalintensität wurde im zeitlichen Verlauf festgestellt. Im Gegensatz dazu zeigt eine nicht derivatisierte DIOS-Oberfläche eine signifikante Verschlechterung des Signals nach 2 bis 3 Wochen.
Beispiel 2
Die Siliziumoxidoberfläche wurde mit Aminiopropyldimethylethoxysilan umgesetzt. Es wurde festgestellt, dass diese derivatisierte Oberfläche eine Verbesserung hinsichtlich der Selektivität für bestimmte Verbindungen bereitstellt. Zum Beispiel können Zucker wie Sucrose und Maltotriose nicht einfach durch DIOS unter Verwendung von Siliziumwasserstoff-Oberflächen oder TMS-derivatisierten Oberflächen nachgewiesen werden. Jedoch stellt die Amin-derivatisierte Oberfläche eine Verbesserung des Signals um mehrere Größenordnungen bereit. Diese derivatisierte Oberfläche stellt eine Selektivität bei der Adsorption bereit. Zum Beispiel würde eine Derivatisierung einer Oberfläche mit einem Kationenaustauscher selektiv basische Verbindungen binden und würde eine einfache Entfernung von neutralen und sauren Wechselwirkungen ermöglichen. Ein Beispiel, das mit TMS-derivatisierten Oberflächen gezeigt ist, ist, dass Peptidverdaus in einer Lösung an 8 M Harnstoff auf einen Chip geladen werden können und das Peptid stark an die Oberfläche adsorbieren wird. Der nicht bindende Harnstoff kann sodann einfach vor einer Massenspektrometrieanalyse entfernt werden. Ein vierter Vorteil dieses Derivatisierungsverfahrens ist, dass es eine einfache Möglichkeit bereitstellt, die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche zu verändern. Beispielsweise wird eine Aminderivatisierte Oberfläche eine viel stärkere Oberflächenspannung (der Kontaktwinkel ist Lösungsmittel-abhängig) bereitstellen als eine Siliziumwasserstoff- oder TMS-derivatisierte Oberfläche. Durch eine Musterung der Oberfläche mit einem oder mehreren Silanreaktanten kann die Hydrophobizität der Oberfläche selektiv verändert werden, um eine Positionierung und/oder Konzentration einer Probe der Oberfläche zu unterstützen.
Diese und weitere Vorteile werden dem Fachmann ersichtlich sein. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht auf die Details in der Beschreibung beschränkt sein, sondern sollte den in den Ansprüchen definierten Gegenstand umfassen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf porösem Silizium, Verfahren zum Durchführen einer solchen Ionisationsdesorption und Verfahren zum Herstellen von Substraten. Eine Ausführungsform, die ein Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium betrifft, umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche der Formel I oder II. Wie vorstehend verwendet, ist X ein H-Atom oder Y, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind.

Claims

Substrat zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium, umfassend ein Substrat der Formel:
worin X ein H-Atom oder Y ist, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder -O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind, und der Buchstabe "n" eine ganze Zahl von 1 bis Unendlich darstellt und jegliche freie Valenzen Siliziumatome, Wasserstoffatome oder Verunreinigungen sind.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 1, wobei Y eine Hydroxylgruppe ist.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 1, wobei der Molprozent-Wert 25 bis 50 beträgt.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil von Y der nachstehenden Formel III entspricht:
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 4, wobei R₁, R₂ und R₃ Methylgruppen oder Alkyl-Kohlenstoffketten mit weniger als oder gleich 18 Kohlenstoffatomen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Substrats zum Durchführen einer Ionisationsdesorption auf Silizium, umfassend die Schritte eines Bereitstellens einer Oberfläche, die Siliziumwasserstoff umfasst, auf dem Substrat, eines Umsetzens von mindestens 5 Molprozent des Siliziumwasserstoffs mit Sauerstoff, um ein Siliziumoxid auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner ein Umsetzen des Siliziumoxids mit einer Verbindung der Formel WY umfasst, worin W ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Halogenatomen, Methoxy-, Alkoxy- oder Ethoxygruppen, und Y der Formel
entspricht, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die durch die Formel WY dargestellte Verbindung Trimethylchlorsilan ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die durch die Formel WY dargestellte Verbindung Aminopropyldimethylethoxysilan ist.
Verfahren zum Durchführen einer Laserdesorptionsionisation auf Silizium, umfassend die Schritte eines Bereitstellens einer Probe auf einer porösen Siliziumoberfläche der Formel
worin X ein H-Atom oder Y ist, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder -O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind, eines Ionisierens mindestens eines Teils der Probe durch einen Laser, um eine ionisierte Probe auszubilden, eines Einbringens der ionisierten Probe in Mas senspektrometer-Mittel für eine Bestimmung einer Masse-Ladung-Beziehung.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 10, wobei Y eine Hydroxylgruppe ist.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 10, wobei der Molprozent-Wert 25 bis 50 beträgt.
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 10, wobei mindestens ein Teil von Y der nachstehenden Formel III entspricht:
Artikel aus einer Herstellung nach Anspruch 13, wobei R₁, R₂ und R₃ Methylgruppen oder Alkyl-Kohlenstoffketten mit weniger als oder gleich 18 Kohlenstoffatomen sind.
Vorrichtung zum Durchführen einer Laser-Desorption-Ionisation-Massenanalyse, umfassend: ein Substrat mit einer porösen Siliziumoberfläche der Formel:

worin X ein H-Atom oder Y ist, worin mindestens 25 Molprozent von X Y ist und Y eine Hydroxyl- oder -O-R₁- oder -O-SiR₁,R₂,R₃-Gruppe ist, worin R₁, R₂ und R₃ ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C₁- bis C₂₅-geraden, cyclischen oder verzweigten Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einer Hydroxylgruppe oder einer Siloxangruppe, worin die Gruppen von R₁, R₂ und R₃ unsubstituiert sind oder mit einer oder mehreren Gruppen wie Halogen-, Cyan-, Amino-, Diol-, Nitro-, Ether-, Carbonyl-, Epoxid-, Sulfonyl-, Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher-, Carbamat-, Amid-, Harnstoff-, Peptid-, Protein-, Kohlenhydrat- und Nukleinsäurefunktionalitäten substituiert sind, und der Buchstabe "n" eine ganze Zahl von 1 bis Unendlich darstellt und jegliche freie Valenzen Siliziumatome, Wasserstoffatome oder Verunreinigungen sind, einen Laser, der mit dem Substrat ausgerichtet ist, um Strahlungsenergie auf die Probe zu pulsieren, um einen Teil der Probe zu ionisieren und zu verdampfen, um eine ionisierte Probe auszubilden, und einen Massenanalysator zur Aufnahme der ionisierten Probe für eine Bestimmung einer Masse-Ladung-Beziehung.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei Y der nachstehenden Formel III entspricht:
und Y der Formel III einen Molprozent-Wert von 2 bis 10 aufweist.