DE112012002078B4

DE112012002078B4 - Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem zur Ultrahochgeschwindigkeits-multimodalen Massenanalyse

Info

Publication number: DE112012002078B4
Application number: DE112012002078.2T
Authority: DE
Inventors: Tae Geol Lee; Sohee Yoon; Ju Hwang Kim; Jeong Hee Moon; Dae Won Moon
Original assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Current assignee: Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: DE112012002078T5; WO2012157867A3; JP2014514591A; KR20120127054A; US20140183354A1; US8772713B1; JP5743170B2; WO2012157867A2; KR101790534B1

Abstract

Ein Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem (100) für eine multimodale Massenanalyse, wobei das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem zur bildgebenden Massenanalyse einer Probe in einem Mikroskop-Modus betrieben wird, indem eine Probe mit einem Laserstrahl und/oder einem Ionenstrahl bestrahlt wird, wobei der Laser- und der Ionenstrahl defokussiert sind, von der Probe eine fotographische Aufnahme gemacht wird und zeitgleich die Position eines Sekundärions, das durch den Laserstrahl oder den Ionenstrahl zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Probe erzeugt wird, basierend auf der Flugzeit (TOF) gemessen und detektiert wird, so dass die Analyse hinsichtlich des Molekulargewichts an jedweder Proben erfolgen kann, an solchen mit niedrigem Molekulargewicht bis hin zu solchen mit hohem Molekulargewicht, wobei das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) enthält: – einen Lasereingang (110), um eine Probe mit einem Laserstrahl zu bestrahlen; – eine Ionenkanonenbaueinheit (120), um eine Probe mit einem Ionenstrahl zu bestrahlen; – eine Probeneintrittskammer (130), in die die Probe mit einem Probenzuführer (131) eingebracht wird; – einen Probenträger (140), auf den die Probe aufgelegt wird; – einen Probenträgermanipulator (150), mit dem die Position des Probenträgers (140) eingestellt wird; – eine CCD-Kamera (160), um ein Bild der Probe ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem für eine Ultrahochgeschwindigkeits-multimodale Massenanalyse.
Die häufigsten Massenspektrometer [matrixunterstützte Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS)], die ein Massenanalyseverfahren basierend auf der Flugzeit (time-of-flight, TOF) benutzen, werden zur Analyse einer Probenoberfläche in einem Mikrosonden-Modus betrieben. Da sich die Technologie in vielen Bereichen jedoch schnell weiterentwickelt, bedeutet eine Einschränkung in dem mit Hilfe eines Massenspektrometers zu analysierenden Subjekt oder eine Einschränkung in der Analysegeschwindigkeit einen Rückschritt im Rahmen einer Untersuchung. Das bedeutet, ein Massenspektrometer, das dazu in der Lage ist, einen weiten Analysenbereich abzudecken, der von Massenanalysen an Proben mit niedrigem Molekulargewicht, wie zum Beispiel bei einem Arzneistoff, bis hin zu Massenanalysen an Proben mit hohem Molekulargewicht, wie zum Beispiel bei Proteinen, reicht, und dabei gleichzeitig Messungen bis zu einem Faktor 100 schneller oder mehr im Vergleich zu bereits aus dem Stand der Technik bekannten Masseanalysegeräten durchführen kann, wird verlangt.
Eine detaillierte Beschreibung eines solchen Geräts wird untenstehend gegeben. Es wird ein digitalisiertes Massenanalysesystem zur molekularen Diagnose gefordert, mit dem durch Messung einer unveränderten Probe eine objektive und quantitative Diagnose einer Erkrankung erzielt und ein personalisiertes Medikament umgesetzt werden kann, ohne dabei auf die Biochipdiagnostik mit Micro-Array-Technologie zurückzugreifen, welche auf der Intensität einer Fluoreszenz-Markierung oder der Messung von Gewebeproben basiert sowie auf der Analyse mittels Einfärbung (H & E) oder der Verwendung eines Elektronenstrahls (Bio-SEM/TEM). Insbesondere für den Einsatz in Krankenhäusern oder in Gesundheitszentrum, statt im Bereich Forschung und Entwicklung, verlangt es einem Fachmann nach einem Massenmikroskopsystem, mit dem eine Molekularanalyse mit einem hohen Durchsatz durchgeführt werden kann und bei dem die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bereits aus dem Stand der Technik bekannten Massenanalysensystemen um mindestens den Faktor 100 erhöht ist.
Zusätzlich zu einer gesteigerten Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bereits aus dem Stand der Technik bekannten Massenspektrometern, mittels der eine Früherkennung von chronischen und neoplastischen Erkrankungen erreicht sowie ein personalisiertes Medikament umgesetzt werden kann, wird eine Plattformtechnologie für die multimodale Massenanalyse benötigt, die im Wesentlichen dazu geeignet ist, alle Verbindungen zu messen, anstatt nur einige Teilbereiche, wie beispielsweise Arzneistoffe, Metabolome, Lipide und Peptide. Des Weiteren wird eine Plattformtechnologie für ein chemisches Massenmikroskop mit einem hohen Durchsatz benötigt, das dazu in der Lage ist, verschiedenste Proben, wie beispielsweise einen großflächigen Träger, einen Micro-Array-Chip, Biopsiegewebe und dergleichen bei einer ultrahohen Geschwindigkeit ohne Einschränkung in Bezug auf Größe oder Art der Probe zu messen.
Das bedeutet, dass ein gesteigerter Bedarf nach einer multimodalen Massenanalyse mit hohem Durchsatz besteht, mittels der diagnostisch wichtige Marker für Arzneistoffe, Metabolome, Lipide und Proteine in Bezug auf Erkrankungen nachgewiesen werden können, um dadurch eine Frühdiagnose chronischer oder neoplastischer Erkrankung zu ermöglichen und in eine individuell personalisierte Diagnose und Behandlung umzusetzen.
Am Korea Research Institute of Standards and Science wurde ein bildgebendes matrixunterstütztes Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit(MALDI-TOF)-Gerät entwickelt (bereits als Patent registriert), das auf dem Mikrosonden-Modus (räumliche Auflösung: Mikrometerlevel und geringer Durchsatz) und einem Laser basiert, anstatt auf dem Mikroskop-Modus, und zusammen mit einem bildgebenden Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie(TOF-SIMS)-Gerät benutzt, das auf dem Mikrosonden-Modus (räumliche Auflösung: 100 nm und geringer Durchsatz) basiert und mit einem Clusterionenstrahl gekoppelt wurde, so dass Forschung an einer Möglichkeit zur Frühdiagnose einer Erkrankung und zur Umsetzung einer personalisierten medizinische Diagnose durch bildgebende Massenanalyse von biologischen Gewebe betrieben werden konnte, in Kollaboration mit dem Seoul National University Hospital, dem National Cancer Center, dem Dong-A University Hospital, dem Yonsei University Health System, Samsung Hospital und anderen. Zusätzlich wurde Forschung für die Entwicklung neuer Medikamenten und der Diagnostik betrieben, indem gezielt nach Metabolom-(GC-MS), Gen-, und Protein-(MALDI-TOF)bezogenen Markern gesucht und diese ausfindig gemacht wurden, wobei unterschiedliche konventionelle Massenanalysegeräte von ausländischen Firmen in zahlreichen nationalen Forschungs- und Entwicklungs-Unternehmen, einschließlich eines Unternehmens zur Entwicklung einer Technologie zur Anwendung der Proteomik (21C frontier research development business), zum Einsatz kamen. Wie bereits weiter oben beschrieben, wurde am Korea Research Institute of Standard and Science ein bildgebendes MALDI-Gerät, das auf dem Mikrosonden-Modus basiert und eine räumliche Auflösung im Mikrometerbereich aufweist (http://www.kriss.re.kr/research/view.do?pg=future bio tab3, nachstehend als Stand der Technik 1 bezeichnet) hergestellt und zur Masse-basierenden Bildgebung von verschiedenen Bioproben angewendet; das Gerät hat jedoch nur einen geringen Durchsatz und damit eine eingeschränkte Messgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben, so dass ein Einsatz in einer Forschungseinrichtung möglich erscheint, anstatt in einem Krankenhaus oder in einem Gesundheitszentrum.
Des Weiteren verwendet das Deutsche Krebsforschungszentrum und die Gruppe um Prof. Arlinghaus an der Universität Münster eine auf einem Ionenstrahl basierende bildgebende TOF-SIMS-Technologie um Micro-Array-Abbildung von PMA-DNA zu erhalten, sowie bei der Erforschung einer Technologie zur Entfernung von Krebszellen mit Hilfe der Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). Zusätzlich wurde am Korea Research Institute of Standards and Science eine bildgebende TOF-SIMS-Technologie verwendet, die auf einem Clusterionenstrahl basiert, um menschliche Haut, Retina-, Herz-, Cardiovascular- und Colon-Gewebe sowie Körperproben (Serum, Stuhl und dergleichen), die vom Seoul National University Hospital (Ophthalmologie und Dermatologie), dem Yonsei University Health System, dem Samsung Hospital und dem National Cancer Center zur Verfügung gestellt wurden, zu untersuchen und um daran Forschung im Bereich der Erkrankungen auf dem Level von Metabolomen und Lipiden, der Diagnostik sowie dem Unterschied zwischen individueller Chemotherapie und Chemobestrahlung zu betreiben (http://www.kriss.re.kr/.../joint use equipment('15.03) kriss. pdf, nachfolgend als Stand der Technik 2 bezeichnet). Die zuvor genannten Technologien weisen jedoch immer noch einen niedrigen Durchsatz aufgrund der eingeschränkten Messgeschwindigkeit auf, da die Abbildungsmessungen im Mikrosonden-Modus durchgeführt werden.
In der US 4 945 236 A wird ein direkt abbildendes Sekundärionen-Massenspektrometer beschrieben, welches auf einen Modus umschaltbar ist, in welchem das Gerät als TOF-Massenspektrometer eingesetzt wird. Das Massenspektrometer umfasst jedoch keine Ionenoptik.
Aus der US 2007/0045527 A1 ist eine Laserdesorptions-Massenspektrometer bekannt, das einen fokussierten Ionenstrahl verwendet und keinen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor aufweist.
Die US 6 002 128 A beschreibt ein Flugzeit-Massenspektrometer, das einen fokussierten Teilchenstrahl aufweist, mit welchem die Oberfläche der Probe zur Analyse abgerastert wird, jedoch keine Ionenoptik und keinen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor umfasst.
In der US 2009/0261243 A1 wird der prinzipiellen Aufbau des bildgebenden Massenspektrometers beschrieben und auch orientierende Messungen zur Bestimmung der zweidimensionalen Verteilung von Ionen auf einer Probenoberfläche, nicht jedoch der Aufbau einer Ionenoptik.
Sowohl die zuvor beschriebenen Geräte aus dem Stand der Technik als auch solche Geräte, die im Rahmen von Forschungsarbeiten an der bildgebenden MALDI-Technologie durch die weltweit führenden Forschungsgruppen (wie US Caprioli und dergleichen) sowie durch nationale Forschungsgruppen (einschließlich der Konkuk University) derzeit entwickelt werden, weisen jedoch lediglich eine räumliche Auflösung von etwa 30 bis 50 μm auf oder können die Einschränkungen bezüglich der Messgeschwindigkeit noch nicht überwinden. Die Informationen, die aus der räumlichen Auflösung erhalten werden können, kommen jedoch lediglich durch die Profildarstellung des Gewebes zustande, anstatt durch Bildgebung, weshalb es dringend erforderlich ist, eine räumliche Auflösung im Mikrometerbereich zu erzielen, um eine kleinstmögliche und dadurch aussagekräftige Abbildung zu erhalten.
1 zeigt den Unterschied zwischen dem Mikrosonden-Modus und dem Mikroskop-Modus. Um eine Masse-basierende Abbildung oder ein Massenspektrum sowohl durch Laser-basierende MALDI-TOF-MS oder durch Ionenstrahl-basierende TOF-SIMS zu erhalten, werden die Daten bei konventionellen Geräten, so wie sie auf dem Markt für Spektrometer sowohl im Inland als auch im Ausland angeboten werden, durch Scannen der Probenoberfläche Pixel für Pixel im Mikrosonden-Modus erhalten (zum Beispiel 256×256) (siehe 1). Deshalb, da die Messgeschwindigkeit (eine Probe/sec für MALDI-TOF, 0,01 Proben/sec bei TOF-SIMS) aus diesem Grund für eine Anwendung in einem Krankenhaus oder für eine Gesundheitsprüfung in einem medizinischen Diagnosesystem zu gering ist, werden die zuvor beschriebenen Geräte lediglich im Bereich Forschung und Entwicklung eingesetzt, aber auch dort weisen sie eine Einschränkung auf. Im zuvor beschriebenen Stand der Technik 4 konnte eine Bildgebungstechnologie mit räumlicher Auflösung im Mikrometerbereich erzielt werden. Zudem wurden zahlreiche Technologien zur Erhöhung der Messgeschwindigkeit vorgestellt; wie in 1 gezeigt wird, sollte hierbei jedoch ein bestimmter Massenbereich ausgewählt werden, da ein positionsempfindlicher Detektor (x, y) verwendet wurde und ein Abschneiden der Masse (Δt) erfolgte, so dass das Problem, die Massenanalyse nicht an einer unbekannten Probe durchführen zu können, immer noch einer Lösung bedarf.
Des Weiteren können, gemäß dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, Proben, die einen weiten Massenbereich aufweisen, der von niedrigen Molekulargewichten bis hin zu hohen Molekulargewichten reicht, nicht an einem einzigen medizinischen Diagnostiziergerät gemessen werden. Da es schwierig ist, Moleküle mit einem niedrigen Molekulargewicht, wie beispielsweise Arzneistoffe, Metabolome und dergleichen aufgrund einer durch MALDI verursachten Matrixinterferenz zu messen, wurde die Laser-basierende MALDI-TOF hauptsächlich für die Messung von Molekülen mit hohem Molekulargewicht eingesetzt, wie beispielsweise für Gene, Proteine und dergleichen, und die Ionenstrahl-basierende TOF-SIMS, die eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Molekülen mit hohem Molekulargewicht zeigt, wurde zur Messung von Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht eingesetzt, wie beispielsweise Arzneistoffe, Metabolome und dergleichen. Dabei ist es erforderlich, die jeweiligen Messgeräte in Abhängigkeit zu dem Molekulargewicht umzubauen, was nicht dienlich für die Messarbeit ist und wodurch die Beschaffungskosten der Geräte erhöht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Bereitstellung eines Flugzeit-basierenden (TOF) Massenmikroskopsystems für eine Ultrahochgeschwindigkeitsmultimodale Massenanalyse, das zeitgleich einen Laserstrahl und einen Ionenstrahl einsetzen kann, um sowohl Analysen im niedermolekularen Molekulargewichtsbereich, wie beispielsweise an Arzneistoffen/Metabolomen/Lipiden/Peptiden als auch Analysen im hochmolekularen Molekulargewichtsbereich, wie beispielsweise an Genen/Proteinen, durchzuführen, ohne dabei durch das Molekulargewicht des zu analysierenden Objekts eingeschränkt zu sein, und das eine deutlich erhöhte Messgeschwindigkeit durch Verwendung eins Mikroskop-Modus anstelle eines Mikrosonden-Modus aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Flugzeit-basierendes (TOF) Massenmikroskopsystem (100) für eine ultrahochgeschwindigkeits-multimodale Massenanalyse, wobei das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem zur bildgebende Massenanalyse einer Probe in einem Mikroskop-Modus betrieben wird, indem eine Probe mit einem Laserstrahl und einem Ionenstrahl bestrahlt wird, wobei entweder der Laser- oder der Ionenstrahl defokussiert sein kann, von der Probe eine fotographische Aufnahme gemacht wird und zeitgleich die Position eines Sekundärions, das durch den Laserstrahl oder den Ionenstrahl zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Probe erzeugt wird, basierend auf der Flugzeit (TOF) gemessen und detektiert wird, so dass die Analyse hinsichtlich des Molekulargewichts an jedweder Proben erfolgen kann, an solchen mit niedrigem Molekulargewicht bis hin zu solchen mit hohem Molekulargewicht.
Eine Probe mit hohem Molekulargewicht kann mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus Genen, Proteinen und Polymeren, enthalten. Des Weiteren kann eine Probe mit niedrigem Molekulargewicht mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus Arzneistoffen, Metabolomen, Lipiden und Peptiden, enthalten.
Die Position des Sekundärions kann zum Zeitpunkt der Bestrahlung mit einem Laserstrahl mittels eines matrixunterstützten Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit(MALDI-TOF)-Systems detektiert werden. Andererseits kann die Position des Sekundärions bei der Bestrahlung mit einem Ionenstrahl mit Hilfe eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie(TOF-SIMS)-Systems detektiert werden.
Zur Bestimmung von Zeit und Position kann ein Simultandetektor verwendet werden, der einen Delay-Line-Detektor zur Positionsbestimmung eines aus der Probe erzeugten Sekundärions enthält.
Bei der Positionsbestimmung eines aus der Probe erzeugten Sekundärions kann entweder ein Linearsystem oder ein Reflektron-System verwendet werden.
Das Massenmikroskopsystem (100) kann einen Lasereingang (110) enthalten, um eine Probe mit einem Laserstrahl zu bestrahlen; eine Ionenkanonenbaueinheit (120), um eine Probe mit einem Ionenstrahl zu bestrahlen; eine Probeneintrittskammer (130), in die die Probe mit einem Probenzuführer (131) eingebracht wird; einen Probenträger (140), auf den die Probe aufgelegt wird; einen Probenträgermanipulator (150), mit dem die Position des Probenträgers (140) eingestellt werden kann; eine CCD-Kamera (charge-coupled device Kamera) (160), um ein Bild der Probe aufzunehmen; eine Quellenlinsenbaueinheit (170), um den Fokus des Laserstrahls oder des Ionenstrahls, der auf die Probe strahlt, einzustellen; und ein positionsempfindlicher Flugzeit-Detektor, der die Position des Sekundärions, das von der Probe erzeugt wird, misst. Der positionsempfindliche Flugzeit-Detektor kann einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor für den Linearmodus (180) enthalten, um die Position eines aus der Probe erzeugten Sekundärions in einem Linearsystemaufbau zu bestimmen; und einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor für den Reflektron-Modus (190), um die Position eines aus der Probe erzeugten Sekundärions in einem Reflektron-Systemaufbau zu bestimmen.
Das Massenmikroskopsystem (100) kann eine Ionenoptikbaueinheit (50) enthalten, um die durch Bestrahlen einer Probe mit einem Laserstrahl oder einem Ionenstrahl erzeugten Sekundärionen zu erfassen, so dass diese gleichmäßig detektiert werden können. Die Ionenoptikbaueinheit (50) kann in dem positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor enthalten sein.
Die Ionenoptikbaueinheit (50) kann enthalten: Eine Ionenoptik (51), die mindestens einen Extraktor und mindestens eine Einzellinse enthält; eine Halterung für ein Quellenbauelement (52), die eine Röhrenform aufweist und am hinteren Ende der Ionenoptik (51) angebracht ist, so dass diese auf einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist; eine Montageplatte (53), die plattenförmig ausgebildet ist und in einer Achse mit der Halterung des Quellenbauelements (52) angebracht ist; ein Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54), das eine Röhrenform aufweist und in einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist und das Zentrum der Montageplatte (53) durchdringt; und ein Ionentor (55), das am hinteren Ende des Abschirmungsrohrs für das grundelektrische Feld (54) angebracht ist und die Sekundärionen, die von der Ionenoptik (51) aufgefangenen wurden und die das Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54) passieren, durch das Ionentor hindurchleitet. Die Ionenoptikbaueinheit (50) kann des Weiteren ein Reflektron (57) enthalten, das durch eine Reflektron-Halterung (56) getragen wird, die an der Montageplatte (53) angebracht ist, und die an der Rückseite des Ionentors (55) derart geformt ist, dass mindestens ein mehrschichtiger Ionenspiegel gebildet wird.
Die Ionenoptik (51) kann einen äußeren Extraktor (511) enthalten, der aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet ist, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Kegelform bildet, wobei durch die Kegelspitze eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei die Kegelspitze benachbart zu der Probe angeordnet ist; einen ersten inneren Extraktor (512), der aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet ist, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Halbkugel formt, wobei eine Öffnung in axialer Richtung das Zentrum der Halbkugel durchdringt, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei ein Teil des ersten inneren Extraktors in das Innere des äußeren Extraktors (511) eingebracht und dabei mit dem äußeren Extraktor (511) auf einer Achse angeordnet ist; einen zweiten inneren Extraktor (514), der säulenförmig ausgebildet ist und durch dessen Zentrum eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können, wobei der zweite innere Extraktor (514) mit dem ersten inneren Extraktor (512) auf einer Achse angeordnet ist, mit dem inneren Extraktor (512) verbunden ist und durch einen Isoliersteg (513) von dem äußeren Extraktor (511) abgetrennt ist; eine erste Masse-Elektrode (516), die plattenförmig ausgebildet ist, die im Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit dem zweiten inneren Extraktor (514) liegend, von dessen Rückseite durch einen Isoliersteg (515) abgetrennt ist; eine Einzellinse (517), die in ihrem Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit der ersten Masse-Elektrode (516) liegend, von deren Rückseite abgetrennt ist; und eine zweite Masse-Elektrode (518), die plattenförmig ausgebildet ist, die im Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit der Einzellinse (517) liegend, von deren Rückseite abgetrennt ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Flugzeit-basierenden Massenmikroskopsystems für eine Ultrahochgeschwindigkeitsmultimodale Massenanalyse kann auf Grund der Flugzeitbasierenden Messung im Mikroskop-Modus eine signifikante Steigerung der Messgeschwindigkeit (um den Faktor 100 oder mehr) im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Massenanalysegeräten erreicht werden, die im Mikrosonden-Modus betrieben und zur Oberflächenanalyse einer Probe eingesetzt werden. Weiterhin erfindungsgemäß kann über einen weiten Massenbereich gemessen werden, der von Analysen mit niedrigen Molekulargewichten, wie beispielsweise bei Arzneistoffen/Metabolomen/Lipiden bis hin zu solchen mit hohen Molekulargewichten, wie beispielsweise bei Genen/Proteinen reicht, wie sie an der Probenoberfläche von beispielsweise Biogeweben/Biochips/Micro-Arrays auffindbar sind, indem lediglich die Beschaffenheit der Linse verändert wird.
Zusätzlich sind die nachfolgenden Effekte zu erwartet: Die Nachfrage an medizinischen Diagnosegeräten, die dazu in der Lage sind, die objektiven, quantitativen und präzisen Eigenschaften der Erkrankungsdiagnostik zu verbessern, wird sich durch die Entwicklung von multimodalen integrierten Diagnostiksystemen für individuelle Kits, Kits für bestimmte Erkrankungsarten und Kits für verschieden Diagnosearten, steigern. Zudem können durch die Kopplung sowie der Integration der BT-NT-IT-Technologie und der Ultrahochgeschwindigkeits-multimodalen Molekulardiagnostik neue Messmethoden, die bislang nicht zur Verfügung standen, entwickelt werden. Demzufolge kann eine Entwicklung des Forschungsschwerpunkt weg von der Bestimmung der Struktur oder Form eines Biopsiegewebes unter Verwendung von Fluoreszenzfärbung oder Bio-SEM/TEM hin zu einer integrierten, Masse-basierenden bildgebenden Messung in Zusammenhang mit der Funktion von verschiedenartigen Atomen und Molekülen erreicht werden, und dadurch ein Werkzeug für die Diagnostik geschaffen werden, das dazu in der Lage ist, gleichzeitig sowohl strukturelle also auch funktionalen Entwicklungen zu vereinen.
Das erfindungsgemäße Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem für eine Ultrahochgeschwindigkeits-multimodale Massenanalyse kann deshalb dafür eingesetzt werden, um eine Frühdiagnostik von Erkrankungen zu erreichen, um personalisierte Medikamente herzustellen, um die Screening-Kosten in der neuen Medizin zu reduzieren und um die Neuentwicklung von Biomarkern, wie beispielsweise Metabolome, Lipide und Proteine, die eine enge Verbindung mit der Erkrankung aufweisen, signifikant zu steigern, wodurch eine problemlose Neuentwicklung von Arzneistoffen erreicht werden kann. Das bedeutet, das erfindungsgemäße Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem für eine Ultrahochgeschwindigkeits-multimodale Massenanalyse kann von verschiedenen Standpunkten aus betrachtet nennenswerte Effekte zeigen, wie etwa der Bereitstellung neuer klinischer Diagnostikgeräte sowie von Informationen aus der Diagnostik, der Begründung einer medizinischen Diagnostikindustrie und der Verbesserung der Lebensqualität sowie der weltweiten Wettbewerbsfähigkeit.
Beschreibung der Abbildungen:
Die zuvor beschriebenen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie andere, werden durch die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verdeutlicht, in welchen:
1 die Unterschiede zwischen einem Mikrosonden-Modus und einem Mikroskop-Modus zeigt;
2 die Unterschiede zwischen einem aus dem Stand der Technik bekannten Diagnoseverfahren und einem, auf einer chemischen Massenanalyse basierenden Diagnoseverfahren zeigt;
3 eine molekulare Diagnosemessung unter Benutzung der matrixunterstützten Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) und der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) erklärt;
4 die Unterschiede zwischen einem Massenanalysegerät (Mikroskop-Modus) gemäß der vorliegenden Erfindung und einem aus dem Stand der Technik bekannten Massenanalysegerät (Mikrosonden-Modus) zeigt;
5 Grundprinzipien und Eigenschaften eines erfindungsgemäßen multimodalen chemischen Massenmikroskops erklärt;
6 eine Querschnittsansicht darstellt, die eine Ionenoptik eines erfindungsgemäßen multimodalen(MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops zeigt;
7 eine perspektivische Ansicht der Ionenoptik des erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops darstellt und jedes Einzelteil kennzeichnet;
8 den Spannungszustand einer MALDI im Linearmodus zeigt sowie die Ergebnisse, die gemäß einer SIMION-Berechnung der Sekundärionen erhalten wird;
9 den Spannungszustand einer MALDI im Reflektron-Modus zeigt sowie die Ergebnisse, die gemäß einer SIMION-Berechnung der Sekundärionen erhalten werden;
10 den Spannungszustand einer SIMS im Reflektron-Modus zeigt sowie die Ergebnisse, die gemäß einer SIMION-Berechnung der Sekundärionen erhalten werden;
11 eine perspektivische Ansicht einer Ionenoptikbaueinheit zeigt, wobei die Ionenoptik und der Reflektron des erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops miteinander gekoppelt sind und die Einzelteile gekennzeichnet sind;
12 ein Foto einer soeben hergestellten Ionenoptikbaueinheit des erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops zeigt; und
13 ein erfindungsgemäßes multimodales (MALDI/SIMS Kopplung) chemisches Massenmikroskop zeigt.
Detaillierte Beschreibung der wesentlichen Bauteile:
Bezugszeichenliste

100: Massenmikroskopsystem
110: Lasereingang
120: Ionenkanonenbaueinheit
130: Probeneintrittskammer
131: Probenzuführer
140: Probenträger
150: Probenträgermanipulator
160: CCD-Kamera (charge-coupled device Kamera)
170: Quellenlinsenbaueinheit
180: positionsempfindlicher Flugzeit-Detektor für den Linearmodus
190: positionsempfindlicher Flugzeit-Detektor für den Reflektron-Modus
50: Ionenoptikbaueinheit
51: Ionenoptik
52: Halterung für die Quellenbaueinheit
53: Montageplatte
54: Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld
55: Ionentor
56: Reflektron-Halterung
57: Reflektron
511: äußerer Extraktor
512: erster innerer Extraktor
513: Isoliersteg
514: zweiter innerer Extraktor
515: Isoliersteg
516: erste Masse-Elektrode
517: Einzellinse
518: zweite Massen-Elektrode

Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem (100) für die Ultrahochgeschwindigkeitsmultimodale Massenanalyse im Detail beschrieben, und dabei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen.
2 zeigt die Unterschiede zwischen einem aus dem Stand der Technik bekannten Diagnoseverfahren und einem auf eine chemische Massenanalyse basierenden Diagnoseverfahren. Wie 2 zeigt, wird eine gefärbte mikroskopische Abbildung, die bei der aus dem Stand der Technik bekannten medizinische Bildgebung verwendet wird, benutzt, um lediglich einfache Informationen über die Form zu erhalten. Hieraus ist es schwierig, objektive und quantitative Informationen zu erhalten, weshalb eine derartige Diagnostik stark von einer subjektiven Beurteilung abhängig ist. Das erfindungsgemäße Massenmikroskop ist in der Lage, die Masse, die Konzentration und die Verteilung verschiedenster Verbindungen, die in einer Bioprobe (Blut, Krebsgewebeproben und dergleichen) enthalten sein können, objektiv und quantitativ zu bestimmen und dabei Informationen über die Erkrankung des menschlichen Körpers zu erhalten, die eine klinische Diagnostik der Erkrankung, basierend auf den zuvor erhaltenen Informationen, erlaubt. Da das erfindungsgemäße Massenmikroskop auf den chemischen Informationen basiert, die aus der Masse eines Moleküls gewonnen werden können, ohne dabei von bereits bekannten Informationen aus der Form abhängig zu sein, kann das erfindungsgemäße Massenmikroskop vorteilhaft verwendet werden in Bezug auf hohe Empfindlichkeit/Früherkennung/hohe Zuverlässigkeit/Überwachung der Medikation/Vorhersage der Medikation und dergleichen. Insbesondere wird erwartet, dass das erfindungsgemäße Massenmikroskop einen bedeutenden Beitrag leistet hinsichtlich Früherkennung/Screening, der präzisen und hochverlässlichen Untersuchung von Krebsgewebe und der Vorhersage der Medikation, was drei Aufgabengebiete der Krebsdiagnose darstellt.
3 stellt eine kurze Erläuterung einer molekulardiagnostischen Messung unter Verwendung der matrixunterstützten Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) und der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) dar. Aus 3 lässt sich entnehmen, dass, für den Fall, dass ein Laserstrahl zur Bestrahlung einer Probe eingesetzt wird, molekulardiagnostische Messungen an Molekülen mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Gene und Proteine, durchgeführt werden können, und dass, für den Fall, dass ein beschleunigter Ionenstrahl hinsichtlich der gleichen Probe eingesetzt wird, molekulardiagnostische Messungen an Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht, wie Arzneistoffe, Metabolome, Lipide, und Peptide durchgeführt werden können (TOF-SIMS). Für die Entwicklung eines multimodalen medizinischen Diagnostikgeräts können SIMS und MALDI gekoppelt werden.
4 erläutert die Unterschiede zwischen einem erfindungsgemäßen Masseanalysengerät (Mikroskop-Modus) und einem aus dem Stand der Technik bekannten (Mikrosonden-Modus). Für die Entwicklung eines MALDI/SIMS gekoppelten, multimodalen medizinischen Diagnostikgeräts, wie oben beschrieben, müssen folgende Probleme gelöst werden: Falls ein MALDI-System einfach nur mit einem SIMS-System gekoppelt wird, resultiert daraus eine extrem lange Messzeit (geringer Durchsatz), wodurch ein die Anwendung als klinisches medizinisches Gerät schwierig wird. Die lange Messzeit ist im Grunde darauf zurückzuführen, dass für das Scannen der Oberfläche einer Bioprobe ein fokussierter Laserstrahl oder ein beschleunigter Ionenstrahl verwendet wird, das heißt, die aus dem Stand der Technik bekannten MALDI- oder SIMS-Systemen verwenden den Mikrosonden-Modus. Erfindungsgemäß kann die Messzeit jedoch verringert und dabei ein hoher Durchsatz im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Geräten erreicht werden, indem statt Scannen der Probenoberfläche eine Aufnahme mittels einer Kamera gemacht wird, das bedeutet, es wird der Mikroskop-Modus verwendet.
5 erklärt das grundlegende Prinzip und die Eigenschaften eines erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops. Das erfindungsgemäße Massenmikroskopsystem ist ein Flugzeit-basierendes chemisches Massenmikroskop, das einen Detektor mit Verzögerungsleitung als positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor verwendet, der dazu in der Lage ist, gleichzeitig die Position (x, y) und die Flugzeit (t) eines Ionensignals zu erfassen (x, y, t), und das ein auf einen time-to-digital-Konverter (A/D) basierendes Datenverarbeitungssystem verwendet sowie einen Reflektron.
Das Flugzeit-Massenanalyseverfahren kann hierbei wie folgt beschrieben werden. Bei der matrixunterstützten Laser Desorptions/Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) wird die Probe in eine Matrix eingebettet und durch Absorption von UV-Strahlung kristallisiert. Durch Laserbestrahlung wird die Probe ionisiert und ihre Masse kann durch die Differenz der Flugzeit der Ionen in Abhängigkeit von deren spezifischer Masse (m/z) ermittelt werden, wodurch, im Gegensatz zu der GPC/SEC, die absolute Masse eines Polymers bestimmt werden kann, was bei der Analyse von Biopolymeren, wie beispielsweise Proteinen und dergleichen, synthetischen Polymeren sowie Additiven sehr vorteilhaft ist. Das Flugzeit-Massenanalyseverfahren kann im Wesentlichen in ein Linearsystem und ein Reflektron-System eingeteilt werden, wobei bei einem Linearsystem alle erzeugten Ionen ein lineares Flugrohr durchfliegen und bei einem Reflektron-System an dem hinteren Ende des Flugrohrs ein Ionenspiegel befestigt ist, womit die begrenzte Auflösung erhöht werden kann.
Das erfindungsgemäße Massenmikroskopsystem verwendet ein Flugzeit-basierendes System zur Bestimmung der Masse und weist einen Mikroskop-Modus anstatt eines Mikrosonden-Modus, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten MALDI-Systemen und dergleichen, auf, so dass sowohl Masse als auch Verteilung der Ionen, die durch Bestrahlen einer Probe mit einem Laser- (MALDI-TOF) oder einem Ionenstrahl (TOF-SIMS) erzeugt werden, bestimmt werden können. Insbesondere ist es möglich, die Bestrahlung und Messung der Probe mittels eines defokussierten Laser-/Ionenstrahls durchzuführen, so dass ein Sichtfeld (FOV) bis hin zu ungefähr 0,5 × 0,5 mm erreicht wird, so dass die die Probenplattform bei Messungen an Biogeweben nicht bewegt werden muss, und bei großflächigen Micro-Arrays oder mit einem Microfluid gekoppelten Probenträgern durch Steuerung der Probenplattform die Messung mit einer mindestens um den Faktor 100 erhöhten Durchsatzgeschwindigkeit im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Geräten durchgeführt werden kann (1 Probe/sec bei MALDI-TOF, 0,01 Proben/sec bei TOF-SIMS). Erfindungsgemäß wird ein Simultandetektor für die Bestimmung von Zeit und Position eingesetzt, beispielsweise ein Detektor mit Verzögerungsleitung (DLD), sowohl im Linearmodus als auch im Reflektron-Modus (im Folgenden wird die Verwendung eines Detektors mit Verzögerungsleitung als Simultandetektor für die Bestimmung von Zeit und Position beschrieben; es ist jedoch offensichtlich, dass jedes andere Gerät anstelle eines DLD in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, solange es in der Lage ist, gleichzeitig Zeit und Position von Sekundärionen zu erfassen), so dass eine Massenanalyse mit hohem Durchsatz und eine bildgebende Bestimmung der Massenverteilung erreicht werden kann, wobei die Ermittlung der spezifischen Masse (m/z) durch MS/MS unter Verwendung des Reflektron-Modus und des Post-Source-Decay (PSD) erfolgen kann.
Nachfolgend wird der spezifische Aufbau eines erfindungsgemäßen Massenmikroskopsystems im Detail beschrieben.
6 zeigt den Querschnitt einer Ionenoptik eines erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops, und 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Ionenoptik des erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops. Die Ionenoptik einschließlich des Extraktors und der Einzellinse müssen derart gestaltet und konstruiert sein, dass die Sekundärionen, die aus der Probe durch den defokussierten Laserstrahl oder Ionenstrahl erzeugt werden, wie oben beschrieben, hinreichend aufgetrennt und von dem Detektor mit Verzögerungsleitung aufgefangen werden.
Die Ionenoptik (51) ist benachbart zu dem Probenträger, auf dem sich die Probe befindet, angebracht, so dass die Sekundärionen, die durch Bestrahlung der Probe mit einem Laserstrahl oder einem Ionenstrahl erzeugt werden, hinreichend aufgetrennt und gut von dem Detektor aufgefangen werden können. Die Ionenoptik (51) kann mindestens einen Extraktor und mindestens eine Einzellinse, wie oben beschrieben, beinhalten. Des Weiteren wird bei der vorliegenden Erfindung SIMION eingesetzt, das ein Verfahren zur Berechnung der Ionenbahn darstellt, um den optimalen Spannungszustand herauszufinden. 6 zeigt beispielhaft den typischen Aufbaus und die Proportionen eines Probenträgers, Extraktors sowie einer Einzellinse, wie sie auch für eine SIMION-Simulation verwendet werden. Konkret wurden bei der Konstruktion der vorliegenden Erfindung elf verschiedene Zustände der Ausgangsverschiebung (–0,25, –0,2, ..., 0,25 mm), ein Molekulargewicht von m/z = 1000, fünf Ausgangszustände für die kinetische Energie (1, 2, 3, 4, 5 eV) und sieben Ausgangszustände für den Winkel (–9, –6, –3, ..., 9°) (alle 385 Ionen) verwendet, wobei als Ergebnis der SIMION-Berechnungen die in den 8 (MALDI-Linearmodus), 9 (MALDI-Reflektron-Modus) und 10 (SIMS-Reflektron-Modus) dargestellten Spannungszustände erhalten wurden, worin Zustände, in denen die aus der Probe erzeugten Sekundärionen durch geeignete Vergrößerung (jeweils Vergrößerung 34,4, Vergrößerung 40, Vergrößerung 42) in dem Detektor mit Verzögerungsleitung gut konzentriert werden konnten, übereinstimmen mit jeder gefundenen Position. Darauf basierend wurde die in 6 und 7 gezeigte Ionenoptik konstruiert.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, kann die Ionenoptik (51) einen äußeren Extraktor (511), einen ersten inneren Extraktor (512), einen Isoliersteg (513), einen zweiten inneren Extraktor (514), einen Isoliersteg (515), eine erste Masse-Elektrode (516), eine Einzellinse (517) und eine zweite Masse-Elektrode (518) enthalten. Eine Beschreibung jedes einzelnen Teils ist wie folgt.
Der äußere Extraktor (511) ist aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Kegelform bildet, wobei durch die Kegelspitze eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei die Kegelspitze benachbart zu der Probe angeordnet ist.
Der erste innere Extraktor (512) ist aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Halbkugel formt, wobei eine Öffnung in axialer Richtung das Zentrum der Halbkugel durchdringt, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei ein Teil des ersten inneren Extraktors in das Innere des äußeren Extraktors (511) eingebracht und dabei mit dem äußeren Extraktor (511) auf einer Achse angeordnet ist.
Der zweite innere Extraktor (514) ist säulenförmig ausgebildet, wobei durch sein Zentrum eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und wobei er mit dem ersten inneren Extraktor (512) auf einer Achse angeordnet ist, mit dem inneren Extraktor (512) verbunden ist und durch einen Isoliersteg (513) von dem äußeren Extraktor (511) abgetrennt ist.
Die erste Masse-Elektrode (516) ist plattenförmig ausgebildet, weist im Zentrum eine Öffnung auf, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und ist, auf einer Achse mit dem zweiten inneren Extraktor (514) liegend, von dessen Rückseite durch einen Isoliersteg (515) abgetrennt.
Die Einzellinse (517) weist in ihrem Zentrum eine Öffnung auf, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und ist, auf einer Achse mit der ersten Masse-Elektrode (516) liegend, von deren Rückseite abgetrennt.
Die zweite Masse-Elektrode (518) ist plattenförmig ausgebildet, weist im Zentrum eine Öffnung auf, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und ist, auf einer Achse mit der Einzellinse (517) liegend, von deren Rückseite abgetrennt.
Das bedeutet, die Ionenoptik (51) ist ausgehend von der Probe aufgebaut in der Reihenfolge: Äußerer Extraktor (511) – erster innerer Extraktor (512) – Isoliersteg (513) – zweiter innerer Extraktor (514) – Isoliersteg (515) – erste Masse-Elektrode (516) – Einzellinse (517) – zweite Masse-Elektrode (518).
Die erfindungsgemäße Ionenoptik (51) mit der oben beschriebenen Anordnung weist die folgenden Merkmale auf: Erstens, kann die Vergrößerung einer Phase durch Justierung der Spannung des äußeren Extraktors (511) und der der inneren Extraktoren (512) und (514) reguliert werden. Zweitens, werden die Masse-Elektroden (516) und (518) dazu verwendet, um die Phase auf die Einzellinse (517) zu fokussieren. Drittens, sind die Hohlräume der inneren Extraktoren (512) und (514) lang und röhrenförmig ausgebildet, so dass, wenn Ionen den Hohlraum passieren, die Spannung erhöht werden kann, um deren kinetische Energie zu erhöhen. Viertens, werden die Ionen zwischen dem Probenträger und dem äußeren Extraktor (511) beschleunigt, ebenso zwischen dem äußeren Extraktor (511) und dem ersten inneren Extraktor (512) sowie zwischen dem zweiten inneren Extraktor (514) und der ersten Masse-Elektrode (516).
Die Ionenoptik (51), die basierend auf den Ergebnissen der SIMION-Ionenstrahlberechnung in Abhängigkeit von der Spannung der MALDI/SIMS Sekundärionen konstruiert wurde, wie zuvor beschrieben, wird verwendet, um eine Ionenoptikbaueinheit (50) bereitzustellen, mit der die Detektion der Ionen in dem erfindungsgemäßen Massenmikroskopsystem erfolgt, also das erfindungsgemäße multimodale (MALDI/SIMS Kopplung) chemische Massenmikroskop wie in 11 gezeigt. 12 zeigt eine Abbildung einer realen erfindungsgemäßen Ionenoptikbaueinheit eines erfindungsgemäßen multimodalen (MALDI/SIMS Kopplung) chemischen Massenmikroskops. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Einzelteile bezieht sich auf 11.
Das erfindungsgemäße Massenmikroskopsystem (100) kann eine Ionenoptikbaueinheit (50) enthalten, um Sekundärionen, die durch Bestrahlung einer Probe mit einem Laserstrahl oder einem Ionenstrahl erzeugt werden, aufzufangen, so dass diese problemlos detektiert werden können. Die Ionenoptikbaueinheit (50) kann hierbei eine Ionenoptik (51) enthalten, die mindestens einen Extraktor und mindestens eine Einzellinse enthält, wobei die Ionenoptik (51) bevorzugt gemäß den 6 und 7 und der darauf bezogenen Beschreibung aufgebaut ist; es können jedoch, in Abhängigkeit von dem Einsatzzweck oder dem Gestaltungswunsch des Nutzers, auch teilweise Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem vorliegenden Erfindungsgedanken abzurücken.
Die Ionenoptikbaueinheit (50) kann, zusätzlich zu der Ionenoptik (51), enthalten: Einen Träger für eine Quellenanordnung (52), der eine Röhrenform aufweist und am hinteren Ende der Ionenoptik (51) angebracht ist, so dass dieser auf einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist; eine Montageplatte (53), die plattenförmig ausgebildet ist und in einer Achse mit der Halterung für die Quellenbaueinheit (52) angebracht ist; ein Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54), das eine Röhrenform aufweist und in einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist und das Zentrum der Montageplatte (53) durchdringt; und ein Ionentor (55), das am hinteren Ende des Abschirmungsrohrs für das grundelektrische Feld (54) angebracht ist und die Sekundärionen, die von der Ionenoptik (51) aufgefangenen wurden und die das Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54) passieren, durch das Ionentor hindurchleitet.
Eine Ionenoptikbaueinheit (50), die nur den oben beschriebenen Aufbau aufweist, ist lediglich dazu geeignet, die Position in einem Linearsystem zu bestimmen. Die Ionenoptikbaueinheit (50) enthält hierbei des Weiteren einen Reflektron (57), der durch eine Reflektron-Halterung (56) getragen wird, die an der Montageplatte (53) angebracht ist und die an der Rückseite des Ionentors (55) derart geformt ist, dass mindestens ein mehrschichtiger Ionenspiegel gebildet wird, so dass die Positionsmessung des Ions in der Ionenoptikbaueinheit (50) mittels des Reflektron-Systems und auch mittels des Linearsystems erfolgen kann.
Aufgrund des zuvor beschriebenen Aufbaus weist die Ionenoptikbaueinheit (50) die folgenden Merkmale auf: Erstens, ist die Ionenoptikbaueinheit (50) so konstruiert, dass sie in einem einzigen Bauelement zusammengefasst werden kann, um das Phasendiagramm und die Konzentrizität aller Linsen gut justieren zu können. Zweitens, ist die Ionenoptikbaueinheit (50) aufgeteilt in einen Quellenteil und einen Teil, der den Reflektron trägt, der auf der Montageplatte (53) angebracht ist, um einen stabilen Aufbau zu gewährleisten. Drittens, sind an der Reflektron-Halterung (56) in bevorzugter Weise mehrere Platten in dessen Mitte verbunden, wie in den Zeichnungen gezeigt wird, und für den Fall, dass die ionenoptische Vorrichtung so aufgebaut ist, wie zuvor beschrieben, sind die Platten durch den stabilen Aufbau weitestgehend frei von Verspannungen und der Detektor kann an der Seite von der ionenoptischen Vorrichtung angebracht werden. Viertens, kann, obwohl der Detektor an der Seite der Ionenoptikvorrichtung angebracht ist, das Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54) das elektrische Feld des Detektors abschirmen und ein Rauschen verhindern.
13 zeigt ein multimodales (MALDI/SIMS Kopplung) chemisches Massenmikroskop, also das erfindungsgemäße Massenmikroskopsystem (100).
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem für eine Ultrahochgeschwindigkeits-multimodale Massenanalyse, das Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem (100) zur Durchführung chemischer Massenanalysen an einer Probe, führt eine bildgebende Massenanalyse einer Probe in einem Mikroskop-Modus durch, indem eine Probe mit einem Laserstrahl, einem Ionenstrahl oder mit einem von defokussierten Laserstrahl und defokussierten Ionenstrahl bestrahlt wirdvon der Probe eine fotographische Aufnahme gemacht wird und zeitgleich die Position eines Sekundärions, das durch den Laserstrahl oder den Ionenstrahl zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Probe erzeugt wird, basierend auf der Flugzeit (TOF) gemessen und detektiert wird, so dass die Analyse hinsichtlich des Molekulargewichts an jedweder Proben erfolgen kann, an solchen mit niedrigem Molekulargewicht bis hin zu solchen mit hohem Molekulargewicht. Der Stand der Technik weist Nachteile in Bezug auf die Messzeit auf, die aufgrund des Mikrosonden-Modus extrem lang ist; erfindungsgemäß kann die Messzeit jedoch deutlich abgesenkt werden, um den Faktor 100 oder mehr verglichen mit dem Stand der Technik, indem mit einem defokussierten Strahl bestrahlt wird und zudem ein Fotografiesystem verwendet wird, anstatt die Probe gemäß dem Mikrosonden-Modus Pixel für Pixel zu scannen. Weiterhin erfindungsgemäß wird die Probe nur durch den Laserstrahl, nur durch den Ionenstrahl, oder sowohl von dem Laserstrahl als auch von dem Ionenstrahl bestrahlt, wobei ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Sekundärions im Mikroskop-Modus basierend auf der Flugzeit verwendet wird. Aus diesem Grund kann eine Messung an jedweder Probe mit einem weiten Massenbereich, der von Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Gene/Proteine/Polymere und dergleichen, bis hin zu Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, wie beispielsweise Arzneistoffe/Metabolome/Lipide/Peptide und dergleichen, reicht, erfolgen, ohne bezüglich des Molekulargewichts in der Probe eingeschränkt zu sein, woraus ein deutlich erhöhter Nutzwert folgt. Des Weiteren kann, bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl, das MALDI-TOF-System dazu benutzt werden, um die Position des Sekundärions zu bestimmen oder, bei Bestrahlung mit einem Ionenstrahl, kann das TOF-SIMS-System dazu benutzt werden, um die Position des Sekundärions zu bestimmen, weshalb bei dem erfindungsgemäßen Massenmikroskopsystem (100) sowohl das matrixunterstützte Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit(MALDI-TOF)-System als auch das Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie(TOF-SIMS)-System gekoppelt werden kann, so dass das erfindungsgemäßen Massenmikroskopsystem (100) einen deutlich breiteren Anwendungsbereich aufweist.
Der spezifische Aufbau des Massenmikroskopsystems (100) wird nachfolgend beschrieben: Das Massenmikroskopsystem (100) kann einen Lasereingang (110) enthalten, um eine Probe mit einem Laserstrahl zu bestrahlen; eine Ionenkanonenbaueinheit (120), um eine Probe mit einem Ionenstrahl zu bestrahlen; eine Probeneintrittskammer (130), in die die Probe mit einem Probenzuführer (131) eingebracht wird; einen Probenträger (140), auf den die Probe aufgelegt wird; einen Probenträgermanipulator (150), mit dem die Position des Probenträgers (140) eingestellt werden kann; eine CCD-Kamera (charge-coupled device Kamera) (160), um ein Bild der Probe aufzunehmen; eine Quellenlinsenbaueinheit (170), um den Fokus des Laserstrahls oder des Ionenstrahls, der auf die Probe strahlt, einzustellen; und ein positionsempfindlicher Flugzeit-Detektor, der die Position des Sekundärions, das von der Probe erzeugt wird, misst. Hierbei kann ein Detektor mit Verzögerungsleitung benutzt werden, um die Position des aus der Probe erzeugten Sekundärionsmit dem Massenmikroskopsystem (100) zu bestimmen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Probenträgermanipulator (150) so ausgebildet ist, dass damit fünf Achsen (X, Y, Z, X-Achsen-Kippung und Y-Achsen-Kippung) eingestellt werden können, um den Freiheitsgrad maximal zu erhöhen.
Weiterhin bevorzugt enthält der positionsempfindliche Flugzeit-Detektor in dem Massenmikroskopsystem (100) eine Ionenoptikbaueinheit (50), wie in den 11 und 12 und der dazugehörenden Beschreibung beschrieben. Da die Ionenoptikbaueinheit (50) so konstruiert ist, dass die Sekundärionen, die durch Bestrahlung der Probe mit einem Laserstrahl oder einem Ionenstrahl erzeugt werden, wirksam aufgefangen und zu dem Detektor bewegt werden, kann die Messung tatsächlich mit einer, wie in 11 gezeigten Ionenoptikbaueinheit (50) erreicht werden.
Des Weiteren kann bei dem Massenmikroskopsystem (100) sowohl das Linearsystem als auch das Reflektron-System zur Positionsbestimmung der aus der Probe erzeugten Sekundärionen, verwendet werden, so dass eine deutlich präzisere Messung erreicht werden kann. Um zu der vorliegenden Erfindung zu gelangen, ist insbesondere der Detektor seitlich von der Ionenoptikbaueinheit (50), die den Reflektron beinhaltet, anzubringen, so dass der positionsempfindliche Flugzeit-Detektor einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor im Linearmodus (180) enthalten kann, der die Position der aus der Probe erzeugten Sekundärionen in einem Linearsystem messen kann; und einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor im Reflektron-Modus (190) enthalten kann, der die Position der aus der Probe erzeugten Sekundärionen in einem Reflektron-System messen kann, wie in den Zeichnungen gezeigt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann verschiedenartig angewendet werden. Des Weiteren ist sich ein Fachmann dessen bewusst, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne von den beigefügten Ansprüchen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Erfindungsgemäß kann die Messzeit deutlich herabgesenkt werden, um den Faktor 100 oder mehr im Vergleich zum Stand der Technik, indem mit einem Strahl im defokussierten Zustand bestrahlt wird und ein Fotografiesystem anstelle eines solchen Systems benutzt wird, bei dem eine Probe Pixel für Pixel gescannt wird, wie es in einem Mikrosonden-Modus der Fall ist. Weiterhin erfindungsgemäß kann die Messung an jedweder Probe mit einem weiten Massenbereich, der von Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Gene/Proteine/Polymere und dergleichen, bis hin zu Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, wie beispielsweise Arzneistoffe/Metabolome/Lipide/Peptide und dergleichen, reicht, erfolgen, ohne bezüglich des Molekulargewichts in der Probe eingeschränkt zu sein, woraus ein deutlich erhöhter Nutzwert folgt. Weiterhin erfindungsgemäß kann das matrixunterstützte Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit(MALDI-TOF)-System und das Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektometrie(TOF-SIMS)-System gekoppelt werden, woraus einen deutlich breiterer Anwendungsbereich resultiert.

Claims

Ein Flugzeit-basierendes Massenmikroskopsystem (100) für eine multimodale Massenanalyse, wobei das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem zur bildgebenden Massenanalyse einer Probe in einem Mikroskop-Modus betrieben wird, indem eine Probe mit einem Laserstrahl und/oder einem Ionenstrahl bestrahlt wird, wobei der Laser- und der Ionenstrahl defokussiert sind, von der Probe eine fotographische Aufnahme gemacht wird und zeitgleich die Position eines Sekundärions, das durch den Laserstrahl oder den Ionenstrahl zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Probe erzeugt wird, basierend auf der Flugzeit (TOF) gemessen und detektiert wird, so dass die Analyse hinsichtlich des Molekulargewichts an jedweder Proben erfolgen kann, an solchen mit niedrigem Molekulargewicht bis hin zu solchen mit hohem Molekulargewicht, wobei das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) enthält: – einen Lasereingang (110), um eine Probe mit einem Laserstrahl zu bestrahlen; – eine Ionenkanonenbaueinheit (120), um eine Probe mit einem Ionenstrahl zu bestrahlen; – eine Probeneintrittskammer (130), in die die Probe mit einem Probenzuführer (131) eingebracht wird; – einen Probenträger (140), auf den die Probe aufgelegt wird; – einen Probenträgermanipulator (150), mit dem die Position des Probenträgers (140) eingestellt wird; – eine CCD-Kamera (160), um ein Bild der Probe aufzunehmen; – eine Quellenlinsenbaueinheit (170), um den Fokus des Laserstrahls oder des Ionenstrahls, der auf die Probe strahlt, einzustellen; und – einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor, der die Position des Sekundärions, das von der Probe erzeugt wird, misst, wobei weiterhin eine Ionenoptikbaueinheit (50) vorgesehen ist, um die durch Bestrahlen einer Probe mit einem Laserstrahl oder einem Ionenstrahl erzeugten Sekundärionen zu erfassen, so dass diese gleichmäßig detektiert werden können, und wobei die Ionenoptikeinheit (5) eine Ionenoptik (51) aufweist, welche umfasst: – einen äußeren Extraktor (511), der aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet ist, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Kegelform bildet, wobei durch die Kegelspitze eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei die Kegelspitze benachbart zu der Probe angeordnet ist; – einen ersten inneren Extraktor (512), der aus einem röhrenförmigen Gehäuse gebildet ist, in dessen Innenraum ein Teilbereich leer ist und dessen eine Seite eine Halbkugel formt, wobei eine Öffnung in axialer Richtung das Zentrum der Halbkugel durchdringt, so dass die Sekundärionen dort hindurchpassieren können, und wobei ein Teil des ersten inneren Extraktors in das Innere des äußeren Extraktors (511) eingebracht und dabei mit dem äußeren Extraktor (511) auf einer Achse angeordnet ist; – einen zweiten inneren Extraktor (514), der säulenförmig ausgebildet ist und durch dessen Zentrum eine Öffnung in axialer Richtung hindurchgeht, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können, wobei der zweite innere Extraktor (514) mit dem ersten inneren Extraktor (512) auf einer Achse angeordnet ist, mit dem inneren Extraktor (512) verbunden ist und durch einen Isoliersteg (513) von dem äußeren Extraktor (511) abgetrennt ist; – eine erste Masse-Elektrode (516), die plattenförmig ausgebildet ist, die im Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit dem zweiten inneren Extraktor (514) liegend, von dessen Rückseite durch einen Isoliersteg (515) abgetrennt ist; – eine Einzellinse (517), die in ihrem Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit der ersten Masse-Elektrode (516) liegend, von deren Rückseite abgetrennt ist; und – eine zweite Masse-Elektrode (518), die plattenförmig ausgebildet ist, die im Zentrum eine Öffnung aufweist, so dass die Sekundärionen dort hindurchgeleitet werden können und die, auf einer Achse mit der Einzellinse (517) liegend, von deren Rückseite abgetrennt ist.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Probe mit hohem Molekulargewicht mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus Genen, Proteinen und Polymeren, enthält.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Probe mit niedrigem Molekulargewicht mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus Arzneistoffen, Metabolomen, Lipiden und Peptiden, enthält.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Position des Sekundärions zum Zeitpunkt der Bestrahlung mit einem Laserstrahl mittels eines matrix-unterstützten Laser-Desorptions/Ionisations-Flugzeit(MALDI-TOF)-Systems detektiert wird.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Position des Sekundärions bei der Bestrahlung mit einem Ionenstrahl mit Hilfe eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie(TOF-SIMS)-Systems detektiert wird.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei ein Simultandetektor für die Bestimmung von Zeit und Position verwendet wird, der einen Delay-Line-Detektor zur Positionsbestimmung eines aus der Probe erzeugten Sekundärions enthält.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei bei der Positionsbestimmung eines aus der Probe erzeugten Sekundärions entweder ein Linearsystem oder ein Reflektron-System verwendet wird.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem nach Anspruch 1, wobei der positionsempfindliche Flugzeit-Detektor enthält: – einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor für den Linearmodus (180), um die Position eines aus der Probe erzeugten Sekundärions in einem Linearsystemaufbau zu bestimmen; und – einen positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor für den Reflektron-Modus (190), um die Position eines aus der Probe erzeugten Sekundärions in einem Reflektron-Systemaufbau zu bestimmen.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei der positionsempfindlichen Flugzeit-Detektor die Ionenoptikbaueinheit (50) enthält.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Ionenoptikbaueinheit (50) des Weiteren enthält: – eine Halterung für ein Quellenbauelement (52), die eine Röhrenform aufweist und am hinteren Ende der Ionenoptik (51) angebracht ist, so dass diese auf einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist; – eine Montageplatte (53), die plattenförmig ausgebildet ist und in einer Achse mit der Halterung des Quellenbauelements (52) angebracht ist; – ein Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54), das eine Röhrenform aufweist und in einer Achse mit der Ionenoptik (51) angeordnet ist und das Zentrum der Montageplatte (53) durchdringt; und – ein Ionentor (55), das am hinteren Ende des Abschirmungsrohrs für das grundelektrische Feld (54) angebracht ist und die Sekundärionen, die von der Ionenoptik (51) aufgefangenen wurden und die das Abschirmungsrohr für das grundelektrische Feld (54) passieren, durch das Ionentor hindurchleitet.
Das Flugzeit-basierende Massenmikroskopsystem nach Anspruch 10, wobei die Ionenoptikbaueinheit (50) des Weiteren ein Reflektron (57) enthält, das durch eine Reflektron-Halterung (56) getragen wird, die an der Montageplatte (53) angebracht ist, und die an der Rückseite des Ionentors (55) derart geformt ist, dass mindestens ein mehrschichtiger Ionenspiegel gebildet wird.