EP1672674A1 - Untersuchungsverfahren und -system zur Hochdurchsatzmassenanalyse - Google Patents

Untersuchungsverfahren und -system zur Hochdurchsatzmassenanalyse Download PDF

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EP1672674A1
EP1672674A1 EP04030063A EP04030063A EP1672674A1 EP 1672674 A1 EP1672674 A1 EP 1672674A1 EP 04030063 A EP04030063 A EP 04030063A EP 04030063 A EP04030063 A EP 04030063A EP 1672674 A1 EP1672674 A1 EP 1672674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
jet
microfluidic
samples
examination
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04030063A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen TROE
Ales Charvat
Bernd Abel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Georg August Universitaet Goettingen
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Georg August Universitaet Goettingen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV, Georg August Universitaet Goettingen filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority to EP04030063A priority Critical patent/EP1672674A1/de
Priority to PCT/EP2005/056835 priority patent/WO2006064048A1/de
Priority to US11/721,832 priority patent/US8009287B2/en
Publication of EP1672674A1 publication Critical patent/EP1672674A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components

Definitions

  • the invention relates to an investigation method and a corresponding investigation system, in particular for the mass spectroscopy of biomolecules, according to the preamble of the independent claims.
  • the samples to be examined are dissolved in water as a carrier liquid, wherein the carrier liquid is injected with the sample dissolved therein through a micro nozzle in a vacuum, so that in the vacuum forms a stable micro liquid jet, which has a beam diameter in the range of 5-100 microns and a jet velocity of 30-100 m / s.
  • micro liquid jet molecules are then desorbed by irradiation with pulsed, tunable infrared laser light and then examined by mass spectroscopy.
  • This laser-induced desorption of sample molecules from the microfluidic jet advantageously enables a very gentle release of the sample molecules.
  • the known examination method described at the outset only permits the examination of a single sample substance which is dissolved in the carrier liquid of the microfluidic jet. To examine another sample substance, the carrier liquid must first be replaced with the old sample substance, which is extremely time-consuming.
  • the known examination method described at the outset therefore does not allow a high-throughput mass analysis of a large number of samples.
  • the invention is therefore based on the object to improve the initially described known examination method or the associated examination system accordingly.
  • the invention comprises the general technical teaching of introducing spatially limited samples into the carrier liquid of the microfluidic jet, each of which extends in the beam direction only over a partial region of the microfluidic jet.
  • a localized injection of the samples to be examined into the carrier liquid of the microfluidic jet advantageously makes it possible to rapidly change the samples to be analyzed by successively injecting the various samples into the microfluidic jet and examining them in succession.
  • the spatially limited injection of the samples significantly reduces the consumption of sample substance.
  • microfluidic stream In the case of a high-throughput mass analysis, several samples are preferably introduced into the microfluidic stream so that the individual samples in the microfluidic stream are arranged one behind the other in the jet direction and are spatially separated from one another.
  • the individual samples thus form plugs or segments in the microfluidic jet, which otherwise consists of the carrier liquid (for example water).
  • the injection of the individual samples into the carrier liquid can take place, for example, by means of a controllable valve, which is preferably arranged upstream of the micro nozzle which is used to produce a microfluidic jet.
  • the valve used may be, for example, a high pressure valve (HPLC valve), such as the Gynkotek Model 300C.
  • valves open in this case preferably in a carrier flow channel, which feeds the micro nozzle for generating the micro liquid jet.
  • the desorption of the individual samples from the microfluidic stream can be effected in a conventional manner by laser irradiation, for example by irradiation with pulsed, tunable, IR laser light, which is described in the document SPANGENBERG, Tim; A-BEL, Bernd: "Laser-excited microfilaments for extreme light sources and biomolecule analysis” as well as from CHARVAT, A. et al .: "New design for a time-of-flight mass spectrometer with a liquid beam desorption source for the analysis of biomolecules ", Review of scientific instruments, Volume 75, Number 5, May 2004, pages 1209 et seq.
  • the examination system according to the invention therefore preferably has a desorption device with a laser.
  • the examination of the samples desorbed from the microfluidic stream in the context of the invention can also be carried out in a conventional manner, for example by a mass-spectroscopic examination.
  • a mass-spectroscopic examination With regard to the examination of the samples desorbed from the microfluidic jet, reference is likewise made to the two aforementioned publications "Laser-excited microfilaments for extreme light sources and biomolecule analysis” and “New design for a time-of-flight mass spectrometer with a liquid beam.” the analysis of biomolecules ", the content of which is fully attributable to the present description in this context.
  • micro nozzle itself may be formed in the conventional manner in the context of the invention, such micro nozzles being described for example in the patent publication WO 2004/076071 A1.
  • the content of this patent publication is, therefore, to be fully attributed to the present specification.
  • the individual samples in the microfluidic jet may have a spatial extent in the beam direction which is so great that each sample can be hit several times by a laser pulse for desorption.
  • a multiple desorption of sample molecules from the individual samples allows, for example, a statistical evaluation of the resulting test results, for example by averaging.
  • the prerequisite for this, however, is that the product of the steel velocity and the desorption period (ie, as a rule, the period of the pulsed laser) must be smaller than the sample length of the individual samples so that a sample traveling with the microfluidic stream is successively detected by several laser pulses can.
  • the individual samples in the microfluidic jet have such a small sample length in the beam direction that each sample can only be detected by a single laser pulse.
  • the product of the jet velocity and the desorption period ie, the period duration of the pulsed laser light
  • Such short samples advantageously enable a mass throughput of a large number of samples with simultaneously low sample substance input (sample quantities).
  • the individual laser pulses must hit the individual samples exactly in order to effect a desorption of sample substance from the microfluidic jet. Therefore, within the scope of the invention, there is the possibility that the desorption (for example the laser pulses) is synchronized taking into account the sample length and the jet velocity, so that the individual laser pulses each hit exactly one of the samples.
  • Such a synchronization can for example be done passively by detecting the jet velocity and triggering the laser pulses as a function of the jet velocity.
  • the synchronization is active.
  • an optical barrier can be used for this purpose, through which the microfluidic jet passes, so that the individual samples can be detected as they pass through the optical barrier.
  • the delivery of the individual laser pulses can then be triggered in such a way that they exactly hit the individual samples.
  • the injection of the individual samples into the carrier liquid of the microfluidic jet preferably takes place upstream of the micronozzle, since there the flow rate of the carrier liquid is substantially lower than in the microfluidic stream downstream behind the micronozzle.
  • a sample magazine with a plurality of sample chambers can be used for the injection of the individual samples into the carrier liquid, wherein the individual sample chambers of the sample magazine can be loaded with the individual samples.
  • the sample magazine may then be inserted into the carrier flow line such that the carrier flow line flows through one of the sample chambers, carrying with it the sample substance contained therein.
  • the sample magazine may in this case be designed, for example, revolver-shaped and rotated accordingly during operation in order to successively introduce different samples into the carrier liquid.
  • the carrier liquid for receiving the samples to be examined may be, for example, conventional water.
  • the invention is not limited to water with respect to the carrier liquid to be used, but also with any other liquids feasible.
  • the individual samples have, for example, a sample volume in the range from 10 ⁇ l to 100 ml, with any intermediate values within this range being possible. Preferably, however, the sample volume is in the range of 10 ⁇ l to 100 ⁇ l.
  • the microfluidic jet preferably has a beam diameter in the range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, whereby a range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m has proven to be particularly advantageous.
  • the microfluidic jet also has a jet velocity which is preferably in the range of 20 m / s to 200 m / s, with respect to the jet velocity Any intermediate values within the aforementioned range of values are also possible.
  • microfluidic jet between the micro-nozzle and its disintegration point where the microfluidic jet disintegrates into drops may contain a plurality of samples, such as more than 10, more than 50, or more than 100 samples.
  • the fast-flowing microfluidic jet between the micro-nozzle and the disintegration point i. in the so-called continuous area, containing only a single sample.
  • a plurality of samples can be examined in rapid succession, for example, more than 5 samples per second.
  • microfluidic jet is typically injected into a vacuum or vacuum chamber, with the desorption of the samples and / or the examination of the samples occurring in the vacuum chamber.
  • the invention also encompasses a microfluidic jet as such which contains spatially limited samples which extend in the beam direction only over a partial region of the microfluidic jet.
  • the schematic representation in Figure 1 shows a micro liquid jet 1, which has a beam diameter d in the range of 5 .mu.m to 100 .mu.m and a jet velocity vim range from 20 m / s to 200 m / s, wherein the micro liquid jet 1 by a known micro nozzle is injected into a vacuum and remains stable in the vacuum to a disintegration point, not shown, at which the microfluidic jet 1 then decomposes into droplets.
  • micro nozzle itself is in this case designed in a conventional manner according to the patent publication WO 2004/076071 A1, so that at this point a detailed description of the micro nozzle can be dispensed with.
  • a plurality of samples 2-4 in the form of a plug, wherein the samples 2-4 may contain different sample substances in order to enable a mass flow rate analysis of a plurality of samples.
  • the individual samples 2-4 are irradiated for desorption from the microfluidic beam 1 by an infrared laser 5 with laser pulses, which in itself from the above-cited references “laser-excited microfilaments for extreme light sources and biomolecule analysis” and “New design for a time It is known that reference is made to the publications in order to avoid repetition.
  • the infrared laser 5 outputs the individual laser pulses in this case with a period ⁇ t, which is adapted to the sample length L of the individual samples 2-4 such that the product of the jet velocity v and the pulse period is greater than the sample length L. This means that each of Samples 2-4 is hit only by a single laser pulse.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the sample length L of the individual samples 2, 3 is substantially greater than in the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the product of the jet velocity v and the pulse period ⁇ t is smaller than the sample length L of the two samples 2, 3, so that each of the two samples 2, 3 is hit by several laser pulses.
  • several sample fragments are desorbed from each of the samples 2, 3 and examined separately. This allows a mean value of the examination results of the individual sample fragments.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3 again largely corresponds to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 2, so that reference is again made to the above description of FIG. 2 in order to avoid repetition.
  • a special feature of this embodiment is that the delivery of the laser pulses is triggered by the infrared laser 5 by a synchronization device, so that the individual laser pulses meet exactly the samples 2, 3 respectively.
  • the embodiment has a light barrier, which consists of a laser 6 and an optical detector 7, wherein the laser beam emitted by the laser 6 passes through the micro liquid jet 1 and therefore allows detection of the individual samples 2, 3 when passing through the laser beam ,
  • the detector 7 controls the passage of the individual samples 2, 3 each have a control unit 8, which then the infrared laser 5 triggers so that the pulses emitted by this exactly hit the samples 2, 3.
  • FIGS. 4A and 4B show an injection device that can be used to inject the samples 2, 3 into the trigger liquid of the microfluidic jet 1.
  • the injection device is in this case arranged upstream of the micro nozzle, which injects the microfluidic jet 1 into the vacuum.
  • This arrangement is advantageous because the flow rate of the carrier liquid upstream of the micro-nozzle is substantially lower than that in micro-liquid jet 1 downstream of the micro-nozzle, thereby facilitating the injection of the samples 2, 3.
  • the injection device is arranged in the carrier flow line which feeds the micro nozzle, two carrier current line sections 9, 10 being illustrated in the drawing.
  • the carrier liquid is supplied in the injection device via the carrier flow line section 9 and leaves the injection device again via the carrier flow line section 10 to the micro nozzle, which injects the microfluidic jet 1 into the vacuum.
  • the carrier liquid flows through one of two sample chambers 11, 12 of a sample magazine 13, wherein the sample magazine 13 is rotatable in the arrow direction.
  • the carrier liquid flows via the carrier flow line section 9 through the sample chamber 11 into the carrier flow line section 10 and then on to the micro nozzle.
  • sample substance is introduced via a sample supply line 14 into the sample chamber 12 and flows through it in the direction of the sample outlet 15.
  • the sample magazine 13 can be rotated in the arrow direction, so that the sample chamber 12 filled with sample substance between the two carrier flow line sections 9, 10 and is therefore flushed with carrier liquid, wherein the sample chamber located in the sample chamber 12 Sample substance is carried.
  • the other sample chamber 11 can be filled with a new sample substance, which is shown in FIG. 4B.
  • FIGS. 5A and 5B show an alternative embodiment of an injection device for injecting the individual samples into the carrier liquid of the microfluidic jet 1.
  • This embodiment is partly identical to the embodiment described above and illustrated in FIGS. 4A and 4B, so that reference is made to FIGS. 4A and 4B in order to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • sample magazine 13 is revolver-shaped and can be rotated about an axis of rotation which is substantially parallel to the carrier power line sections 9, 10.
  • the individual sample chambers 16 thus form a coaxial component of the carrier power line sections 9, 10 in each case in one rotational position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Untersuchungsverfahren, insbesondere für die Massenspektroskopie von Biomolekülen, mit den folgenden Schritten: Einbringung einer oder mehrer zu untersuchender Proben (2-4) in schneller Folge in eine Trägerflüssigkeit eines Mikroflüssigkeitsstrahls (1); Desorption zumindest eines Teils der Proben (2-4) aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) und Untersuchung der aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) desorbierten Probe (2-4). Es wird vorgeschlagen, dass die Probe (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung räumlich begrenzt ist und sich in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls (1) erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Untersuchungsverfahren und ein entsprechendes Untersuchungssystem, insbesondere für die Massenspektroskopie von Biomolekülen, gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.
  • Es ist aus SPANGENBERG, Tim; ABEL, Bernd: "Laser-angeregte Mikrofilamente für extreme Lichtquellen und Biomolekülanalytik", Photonik 6/2004 bekannt, sogenannte Mikroflüssigkeitsstrahlen zur massenspektroskopischen Untersuchung von großen Biopolymeren, organischen Molekülen und Ionen einzusetzen. Dabei werden die zu untersuchenden Proben (z.B. Biopolymere) in Wasser als Trägerflüssigkeit gelöst, wobei die Trägerflüssigkeit mit der darin gelösten Probe durch eine Mikrodüse in ein Vakuum eingespritzt wird, so dass sich in dem Vakuum ein stabiler Mikroflüssigkeitsstrahl ausbildet, der einen Strahldurchmesser im Bereich von 5-100 µm und eine Strahlgeschwindigkeit von 30-100 m/s aufweist. Aus diesem Mikroflüssigkeitsstrahl werden dann Moleküle durch Bestrahlung mit gepulstem, abstimmbarem Infrarot-Laserlicht desorbiert und anschließend massenspektroskopisch untersucht. Diese laserinduzierte Desorption von Probenmolekülen aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl ermöglicht vorteilhaft eine sehr schonende Freisetzung der Probenmoleküle.
  • Nachteilig an diesem bekannten- Untersuchungsverfahren ist zum einen der relativ hohe Verbrauch von Probensubstanz, da die in dem Mikroflüssigkeitsstrahl enthaltene Probensubstanz zwischen den aufeinander folgenden Laserimpulsen nicht desorbiert wird und deshalb ungenutzt bleibt. Die Ausbeute der Probensubstanz lässt sich hierbei allenfalls durch eine Erhöhung der Impulsrate des Lasers steigern, was jedoch nur in begrenztem Umfang möglich ist.
  • Zum anderen ermöglicht das eingangs beschriebene bekannte Untersuchungsverfahren nur die Untersuchung einer einzigen Probensubstanz, die in der Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls gelöst ist. Zur Untersuchung einer anderen Probensubstanz muss die Trägerflüssigkeit mit der alten Probensubstanz zunächst ausgewechselt werden, was äußerst aufwändig ist. Das eingangs beschriebene bekannte Untersuchungsverfahren ermöglicht also keine Hochdurchsatzmassenanalyse einer Vielzahl von Proben.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene bekannte Untersuchungsverfahren bzw. das zugehörige Untersuchungssystem entsprechend zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Untersuchungsverfahren bzw. ein Untersuchungssystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
  • Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls jeweils räumlich begrenzte Proben einzubringen, die sich jeweils in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls erstrecken. Eine derartige örtlich begrenzte Injektion der zu untersuchenden Proben in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls ermöglicht vorteilhaft einen schnellen Wechsel der zu untersuchenden Proben, indem nacheinander die verschiedenen Proben in den Mikroflüssigkeitsstrahl injiziert und hintereinander untersucht werden. Darüber hinaus wird durch die räumlich begrenzte Injektion der Proben der Verbrauch an Probensubstanz wesentlich verringert.
  • Bei einer Hochdurchsatzmassenanalyse werden hierbei vorzugsweise mehrere Proben in den Mikroflüssigkeitsstrahl eingebracht, so dass die einzelnen Proben in dem Mikroflüssigkeitsstrahl in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und räumlich voneinander getrennt sind. Die einzelnen Proben bilden hierbei also Pfropfen oder Segmente in dem ansonsten aus der Trägerflüssigkeit (z.B. Wasser) bestehenden Mikroflüssigkeitsstrahl.
  • Die Injektion der einzelnen Proben in die Trägerflüssigkeit kann beispielsweise durch ein steuerbares Ventil erfolgen, das vorzugsweise stromaufwärts vor der Mikrodüse angeordnet ist, die zur Erzeugung eines Mikroflüssigkeitsstrahls verwendet wird. Bei dem verwendeten Ventil kann es sich beispielsweise um ein Hochdruckventil (HPLC-Ventil) handeln, wie beispielsweise das Gynkotek-Modell 300C.
  • Falls die Schaltzeiten derartiger Ventile zu groß sind, um die Proben mit einer ausreichend hohen Taktfrequenz in die Trägerflüssigkeit zu injizieren, besteht die Möglichkeit, mehrere derartige Ventile in Strömungsrichtung untereinander anzuordnen.
  • Die Ventile münden hierbei vorzugsweise in einen Trägerstromkanal, der die Mikrodüse zur Erzeugung des Mikroflüssigkeitsstrahls speist.
  • Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die einzelnen Proben unterschiedliche Probensubstanzen enthalten, so dass eine Massendurchsatzanalyse einer Vielzahl unterschiedlicher Proben ermöglicht wird.
  • Die Desorption der einzelnen Proben aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl kann im Rahmen der Erfindung in herkömmlicher Weise durch Laserbestrahlung erfolgen, beispielsweise durch Bestrahlung mit gepulstem, abstimmbaren, IR-Laserlicht, was aus der eingangs zitierten Druckschrift SPANGENBERG, Tim; A-BEL, Bernd: "Laser-angeregte Mikrofilamente für extreme Lichtquellen und Biomolekülanalytik" sowie aus CHARVAT, A. et al.: "New design for a time-of-flight mass spectrometer with a liquid beam laser desorption source for the analysis of biomolecules", Review of scientific instruments, Volume 75, Number 5, May 2004, Seiten 1209 ff. bekannt ist. Der Inhalt dieser beiden Druckschriften ist deshalb der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Desorption der Proben aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl in vollem Umfang zuzurechnen, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung der Techniken zur Desorption der Proben aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße Untersuchungssystem weist also vorzugsweise eine Desorptionseinrichtung mit einem Laser auf.
  • Darüber hinaus kann die Untersuchung der aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl desorbierten Proben im Rahmen der Erfindung ebenfalls in herkömmlicher Weise erfolgen, beispielsweise durch eine massenspektroskopische Untersuchung. Hinsichtlich der Untersuchung der aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl desorbierten Proben wird ebenfalls auf die beiden vorstehend erwähnten Druckschriften "Laser-angeregte Mikrofilamente für extreme Lichtquellen und Biomolekülanalytik" und "New design for a time-of-flight mass spectrometer with a liquid beam laser desorption ion source for the analysis of biomolecules" verwiesen, deren Inhalt der vorliegenden Beschreibung in diesem Zusammenhang in vollem Umfang zuzurechnen ist.
  • Die Mikrodüse selbst kann im Rahmen der Erfindung in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, wobei derartige Mikrodüsen beispielsweise in der Patentveröffentlichung WO 2004/076071 A1 beschrieben sind. Der Inhalt dieser Patentveröffentlichung ist deshalb der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen.
  • Die einzelnen Proben in dem Mikroflüssigkeitsstrahl können in Strahlrichtung eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die so groß ist, dass jede Probe mehrfach von einem Laserimpuls zur Desorption getroffen werden kann. Eine derartige mehrfache Desorption von Probenmolekülen aus den einzelnen Proben ermöglicht beispielsweise eine statistische Auswertung der daraus resultierenden Untersuchungsergebnisse, beispielsweise durch eine Mittelwertbildung. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass das Produkt aus der Stahlgeschwindigkeit und der Desorptions-Periodendauer (d.h. in der Regel der Periodendauer des gepulsten Lasers) kleiner sein muss als die Probenlänge der einzelnen Proben, damit eine mit dem Mikroflüssigkeitsstrahl fortbewegte Probe nacheinander von mehreren Laserimpulsen erfasst werden kann.
  • Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Proben in dem Mikroflüssigkeitsstrahl eine so geringe Probenlänge in Strahlrichtung aufweisen, dass jede Probe jeweils nur von einem einzigen Laserimpuls erfasst werden kann. In diesem Fall ist das Produkt aus der Strahlgeschwindigkeit und der Desorptions-Periodendauer (d.h. der Periodendauer des gepulsten Laserlichts) größer als die Probenlänge. Derartig kurze Proben ermöglichen vorteilhaft einen Massendurchsatz einer Vielzahl von Proben bei gleichzeitig geringem Probensubstanzeintrag (Probenmengen).
  • Bei dem erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahren müssen die einzelnen Laserimpulse die einzelnen Proben exakt treffen, um eine Desorption von Probensubstanz aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl zu bewirken. Es besteht deshalb im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Desorption (z.B. die Laserimpulse) unter Berücksichtigung der Probenlänge und der Strahlgeschwindigkeit synchronisiert wird, so dass die einzelnen Laserimpulse jeweils exakt eine der Proben treffen.
  • Eine derartige Synchronisation kann beispielsweise passiv erfolgen, indem die Strahlgeschwindigkeit erfasst wird und die Laserimpulse in Abhängigkeit von der Strahlgeschwindigkeit getriggert werden.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass die Synchronisation aktiv erfolgt. Beispielsweise kann hierzu eine optische Schranke verwendet werden, durch die der Mikroflüssigkeitsstrahl hindurchtritt, so dass die einzelnen Proben beim Durchgang durch die optische Schranke detektiert werden können. In Abhängigkeit von dieser Detektion der einzelnen Proben kann dann die Abgabe der einzelnen Laserimpulse so getriggert werden, dass diese exakt die einzelnen Proben treffen.
  • Weiterhin besteht die Möglichkeit, der Probensubstanz einen Farbstoff zuzusetzen, was die optische Erkennung der einzelnen Proben in dem Mikroflüssigkeitsstrahl und damit die aktive Synchronisation erleichtert.
  • Die Injektion der einzelnen Proben in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls erfolgt vorzugsweise stromaufwärts vor der Mikrodüse, da dort die Strömungsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit wesentlich geringer ist als in dem Mikroflüssigkeitsstrahl stromabwärts hinter der Mikrodüse.
  • Für die Injektion der einzelnen Proben in die Trägerflüssigkeit kann beispielsweise ein Probenmagazin mit mehreren Probenkammern eingesetzt werden, wobei die einzelnen Probenkammern des Probenmagazins mit den einzelnen Proben beschickbar sind. Das Probenmagazin kann dann so in die Trägerstromleitung eingeführt werden, dass die Trägerstromleitung durch eine der Probenkammern fließt und dabei die darin befindliche Probensubstanz mitführt.
  • Das Probenmagazin kann hierbei beispielsweise revolverförmig ausgebildet sein und im Betrieb entsprechend gedreht werden, um nacheinander verschiedene Proben in die Trägerflüssigkeit einzubringen.
  • Bei der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der zu untersuchenden Proben kann es sich beispielsweise um herkömmliches Wasser handeln. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der zu verwendenden Trägerflüssigkeit nicht auf Wasser beschränkt, sondern auch mit beliebigen anderen Flüssigkeiten realisierbar.
  • Weiterhin ist zu erwähnen, dass die einzelnen Proben beispielsweise ein Probenvolumen im Bereich von 10 nl bis 100 ml aufweisen, wobei beliebige Zwischenwerte innerhalb dieses Bereichs möglich sind. Vorzugsweise liegt das Probenvolumen jedoch im Bereich von 10 nl bis 100 µl.
  • Ferner ist zu erwähnen, dass der Mikroflüssigkeitsstrahl vorzugsweise einen Strahldurchmesser im Bereich von 5 µm bis 100 µm aufweist, wobei sich ein Bereich von 5 µm bis 30 µm als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
  • Der Mikroflüssigkeitsstrahl weist ferner eine Strahlgeschwindigkeit auf, die vorzugsweise im Bereich von 20 m/s bis 200 m/s liegt, wobei hinsichtlich der Strahlgeschwindigkeit ebenfalls beliebige Zwischenwerte innerhalb des vorstehend erwähnten Wertebereichs möglich sind.
  • Ferner kann der Mikroflüssigkeitsstrahl zwischen der Mikrodüse und seinem Zerfallspunkt, in dem der Mikroflüssigkeitsstrahl in Tropfen zerfällt, eine Vielzahl von Proben enthalten, wie beispielsweise mehr als 10, mehr als 50, oder mehr als 100 Proben.
  • Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der schnell flie-βende Mikroflüssigkeitsstrahl zwischen der Mikrodüse und dem Zerfallspunkt, d.h. in dem sogenannten kontinuierlichen Bereich, nur eine einzige Probe enthält. Auch in diesem Fall kann eine Vielzahl von Proben in schneller Folge untersucht werden, beispielsweise mehre als 5 Proben pro Sekunde.
  • Darüber hinaus ist - obwohl selbstverständlich - zu erwähnen, dass der Mikroflüssigkeitsstrahl in der Regel in ein Vakuum bzw. in eine Vakuumkammer eingespritzt wird, wobei in der Vakuumkammer die Desorption der Proben und/oder die Untersuchung der Proben erfolgt.
  • Schließlich umfasst die Erfindung auch einen Mikroflüssigkeitsstrahl als solchen, der räumlich begrenzte Proben enthält, die sich in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls erstrecken.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Mikroflüssigkeitsstrahls mit mehreren, je- weils räumlich begrenzten Proben, die laserinduziert aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl desorbiert werden, um eine massenspektroskopische Untersuchung zu ermöglichen,
    Figur 2
    eine Abwandlung eines derartigen Mikroflüssigkeitsstrahls, bei dem die einzelnen Proben in Strahlrichtung so lang sind, dass diese jeweils von mehreren Laserimpulsen erfasst werden,
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Untersuchungssystems mit einer Lichtschranke zur Detektion der Proben in dem Mikroflüssigkeitsstrahl und zur Synchronisation der Abgabe der Laserimpulse zur Desorption der einzelnen Proben
    Figuren 4A, 4B
    eine Injektionseinrichtung zur Einbringung der Proben in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls, sowie
    Figuren 5A, 5B
    eine alternative Ausführungsform einer derartigen Injektionseinrichtung.
  • Die schematische Darstellung in Figur 1 zeigt einen Mikroflüssigkeitsstrahl 1, der einen Strahldurchmesser d im Bereich von 5 µm bis 100 µm und eine Strahlgeschwindigkeit vim Bereich von 20 m/s bis 200 m/s aufweist, wobei der Mikroflüssigkeitsstrahl 1 durch eine an sich bekannte Mikrodüse in ein Vakuum eingespritzt wird und in dem Vakuum bis zu einem nicht dargestellten Zerfallspunkt stabil bleibt, an dem der Mikroflüssigkeitsstrahl 1 dann in Tröpfchen zerfällt.
  • Die Mikrodüse selbst ist hierbei in herkömmlicher Weise gemäß der Patentveröffentlichung WO 2004/076071 A1 ausgebildet, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung der Mikrodüse verzichtet werden kann.
  • In den Mikroflüssigkeitsstrahl 1 sind mehrere Proben 2-4 pfropfenförmig eingebracht, wobei die Proben 2-4 unterschiedliche Probensubstanzen enthalten können, um eine Massendurchsatzanalyse einer Vielzahl von Proben zu ermöglichen.
  • Die einzelnen Proben 2-4 werden zur Desorption aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl 1 von einem Infrarot-Laser 5 mit Laserimpulsen bestrahlt, was an sich aus den bereits vorstehend zitierten Druckschriften "Laser-angeregte Mikrofilamente für extreme Lichtquellen und Biomolekülanalytik" und "New design for a time-of-flight mass spectrometer with a liquid beam laser desorption ion source for the analysis of biomolecules" bekannt ist, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Druckschriften verwiesen wird.
  • Der Infrarot-Laser 5 gibt die einzelnen Laserimpulse hierbei mit einer Periodendauer Δt ab, die an die Probenlänge L der einzelnen Proben 2-4 derart angepasst ist, dass das Produkt aus der Strahlgeschwindigkeit v und der Impuls-Periodendauer größer ist als die Probenlänge L. Dies bedeutet, dass jede der Proben 2-4 nur von einem einzigen Laserimpuls getroffen wird.
  • Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile bzw. Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
  • Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Probenlänge L der einzelnen Proben 2, 3 wesentlich größer ist als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Das Produkt aus der Strahlgeschwindigkeit v und der Impuls-Periodendauer Δt ist hierbei kleiner als die Probenlänge L der beiden Proben 2, 3, so dass jede der beiden Proben 2, 3 von mehreren Laserimpulsen getroffen wird. Dies hat zur Folge, dass aus jeder der Proben 2, 3 mehrere Probenfragmente desorbiert und getrennt untersucht werden. Dies ermöglicht eine Mittelwertbildung der Untersuchungsergebnisse der einzelnen Probenfragmente.
  • Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen wieder auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 2 verwiesen wird. Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Abgabe der Laserimpulse durch den Infrarot-Laser 5 durch eine Synchronisationseinrichtung getriggert wird, damit die einzelnen Laserimpulse jeweils exakt die Proben 2, 3 treffen.
  • Hierzu weist das Ausführungsbeispiel eine Lichtschranke auf, die aus einem Laser 6 und einem optischen Detektor 7 besteht, wobei der von dem Laser 6 emittierte Laserstrahl durch den Mikroflüssigkeitsstrahl 1 hindurch geht und deshalb eine Detektion der einzelnen Proben 2, 3 beim Durchgang durch den Laserstrahl ermöglicht.
  • Der Detektor 7 steuert beim Durchgang der einzelnen Proben 2, 3 jeweils eine Steuereinheit 8 an, die dann den Infrarot-Laser 5 so triggert, dass die von diesem abgegebenen Impulse exakt die Proben 2, 3 treffen.
  • Die Figuren 4A und 4B zeigen eine Injektionseinrichtung, die verwendet werden kann, um die Proben 2, 3 in die Triggerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls 1 zu injizieren.
  • Die Injektionseinrichtung ist hierbei stromaufwärts vor der Mikrodüse angeordnet, die den Mikroflüssigkeitsstrahl 1 in das Vakuum injiziert. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da die Strömungsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit stromaufwärts vor der Mikrodüse wesentlich geringer ist als die in Mikroflüssigkeitsstrahl 1 stromabwärts hinter der Mikrodüse, wodurch die Injektion der Proben 2, 3 erleichtert wird.
  • Die Injektionseinrichtung ist hierbei in der Trägerstromleitung angeordnet, welche die Mikrodüse speist, wobei in der Zeichnung zwei Trägerstromleitungsabschnitte 9, 10 dargestellt sind.
  • Die Trägerflüssigkeit wird in der Injektionseinrichtung über den Trägerstromleitungsabschnitt 9 zugeführt und verlässt die Injektionseinrichtung wieder über den Trägerstromleitungsabschnitt 10 zu der Mikrodüse, die den Mikroflüssigkeitsstrahl 1 in das Vakuum injiziert.
  • In der Injektionseinrichtung fließt die Trägerflüssigkeit durch eine von zwei Probenkammern 11, 12 eines Probenmagazins 13, wobei das Probenmagazin 13 in Pfeilrichtung drehbar ist.
  • In der in Figur 4A gezeigten Stellung des Probenmagazins 13 fließt die Trägerflüssigkeit über den Trägerstromleitungsabschnitt 9 durch die Probenkammer 11 in den Trägerstromleitungsabschnitt 10 und dann weiter zu der Mikrodüse.
  • Die andere Probenkammer 12 des Probenmagazins 13 wird dann von Probensubstanz gefüllt, wobei die Probensubstanz über eine Probenzuleitung 14 in die Probenkammer 12 eingeführt wird und diese in Richtung der Probenausleitung 15 durchströmt.
  • Wenn die Probenkammer 12 mit der gewünschten Probensubstanz gefüllt ist, kann das Probenmagazin 13 in Pfeilrichtung gedreht werden, so dass die mit Probensubstanz gefüllte Probenkammer 12 zwischen den beiden Trägerstromleitungsabschnitten 9, 10 liegt und deshalb mit Trägerflüssigkeit durchspült wird, wobei die in der Probenkammer 12 befindliche Probensubstanz mitgeführt wird.
  • Währenddessen kann die andere Probenkammer 11 mit einer neuen Probensubstanz gefüllt werden, was in Figur 4B dargestellt ist.
  • Die Figuren 5A und 5B zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Injektionseinrichtung zur Injektion der einzelnen Proben in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls 1.
  • Dieses Ausführungsbeispiel stimmt teilweise mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 4A und 4B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu den Figuren 4A und 4B verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
  • Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass das Probenmagazin 13 revolverförmig ist und um eine Drehachse gedreht werden kann, die im Wesentlichen parallel zu den Trägerstromleitungsabschnitten 9, 10 verläuft. Die einzelnen Probenkammern 16 bilden hierbei also in jeweils einer Drehstellung einen koaxialen Bestandteil der Trägerstromleitungsabschnitte 9, 10.
  • Die Befüllung der einzelnen Probenkammern 16 ist hier zur Vereinfachung nicht dargestellt, jedoch ist die Befüllung der Probenkammern 16 in einfacher Weise möglich, indem entsprechende Befüllungsleitungen stirnseitig an das revolverförmige Probenmagazin 13 anstoßen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims (20)

  1. Untersuchungsverfahren, insbesondere für die Massenspektroskopie von Biomolekülen, mit den folgenden Schritten:
    a) Einbringung einer zu untersuchenden Probe (2-4) in eine Trägerflüssigkeit,
    b) Erzeugung eines Mikroflüssigkeitsstrahls (1) aus der Trägerflüssigkeit mit der darin enthaltenen Probe (2-4),
    c) Desorption zumindest eines Teils der Probe (2-4) aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1),
    d) Untersuchung der aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) desorbierten Probe (2-4),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    e) die Probe (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung räumlich begrenzt ist und sich in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls (1) erstreckt.
  2. Untersuchungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Proben (2-4) in den Mikroflüssigkeitsstrahl (1) eingebracht werden, so dass die einzelnen Proben (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und räumlich voneinander getrennt sind.
  3. Untersuchungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Proben (2-4) mittels mindestens eines steuerbaren Ventils in die Trägerflüssigkeit injiziert werden.
  4. Untersuchungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Proben (2-4) unterschiedliche Probensubstanzen enthalten.
  5. Untersuchungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die einzelnen Proben (2-4) mit einer bestimmten Desorptions-Periodendauer jeweils einzeln periodisch aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) desorbiert werden,
    b) sich die einzelnen Proben (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung jeweils über eine bestimmte Probenlänge (L) erstrecken,
    c) der Mikroflüssigkeitsstrahl (1) eine bestimmte Strahlgeschwindigkeit (v) aufweist,
    d) das Produkt aus der Strahlgeschwindigkeit (v) und der Desorptions-Periodendauer (Δt) entweder kleiner oder größer ist als die Probenlänge (L).
  6. Untersuchungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Desorption der einzelnen Proben (2-4) unter Berücksichtigung der Probenlänge (L) mit der Strahlgeschwindigkeit (v) synchronisiert wird.
  7. Untersuchungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisation aktiv oder passiv erfolgt.
  8. Untersuchungsverfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    - Erfassung der einzelnen Proben (2-4) durch eine Lichtschranke,
    - Synchronisation der Desorption in Abhängigkeit von der Erfassung durch die Lichtschranke (6, 7).
  9. Untersuchungssystem, insbesondere zur massenspektroskopischen Untersuchung von Biomolekülen, mit
    a) einer Mikrodüse zur Erzeugung eines Mikroflüssigkeitsstrahls (1), wobei der Mikroflüssigkeitsstrahl (1) eine Trägerflüssigkeit und mindestens eine zu untersuchende Probe (2-4) enthält,
    b) einer Desorptionseinrichtung (5) zur Desorption zumindest eines Teils der Probe (2-4) aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) und
    c) einer Untersuchungseinrichtung zur Untersuchung der desorbierten Probe (2-4),
    gekennzeichnet durch
    d) eine Injektionseinrichtung (9-16), welche die Probe (2-4) in die Trägerflüssigkeit des Mikroflüssigkeitsstrahls (1) örtlich begrenzt injiziert, so dass sich die Probe (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls (1) erstreckt.
  10. Untersuchungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (9-16) mehrere Proben (2-4) räumlich voneinander getrennt und in Strahlrichtung hintereinander liegend in die Trägerflüssigkeit injiziert.
  11. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (9-16) mindestens ein steuerbares Ventil aufweist.
  12. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (9-16) stromaufwärts vor der Mikrodüse angeordnet ist.
  13. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    a) in die Mikrodüse eine Trägerstromleitung (9, 10) mündet,
    b) die Injektionseinrichtung (9-16) ein Probenmagazin (13) mit mehreren Probenkammern (11, 12, 16) aufweist,
    c) die Probenkammern (11, 12, 16) des Probenmagazins mit den einzelnen Proben (2-4) beschickbar sind, und
    d) das Probenmagazin (13) so in die Trägerstromleitung (9, 10) einführbar ist, dass die Trägerstromleitung (9, 10) durch eine der Probenkammern (11, 12, 16) führt.
  14. Untersuchungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenmagazin (13) drehbar ist.
  15. Untersuchungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenmagazin (13) revolverförmig ist und eine Drehachse aufweist, die parallel zu der Trägerstromleitung (9, 10) verläuft.
  16. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die Desorptionseinrichtung (5) die Proben (2-4) periodisch mit einer bestimmten Desorptions-Periodendauer aus dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) desorbiert,
    b) sich die einzelnen Proben (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung über eine bestimmte Probenlänge (L) erstrecken,
    c) der Mikroflüssigkeitsstrahl (1) eine bestimmte Strahlgeschwindigkeit (v) aufweist,
    d) das Produkt aus der Strahlgeschwindigkeit (v) und der Desorptions-Periodendauer entweder kleiner oder größer ist als die Probenlänge (L).
  17. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 16, gekennzeichnet durch eine Synchronisationseinrichtung zur Synchronisation der Desorptionseinrichtung (5) entsprechend der Strahlgeschwindigkeit (v) und dem Abstand zwischen den aufeinander folgenden Proben (2-4).
  18. Untersuchungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung eine Lichtschranke aufweist, welche die Proben (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) erfasst.
  19. Mikroflüssigkeitsstrahl (1), insbesondere zur massenspektroskopischen Untersuchung von Biomolekülen, mit einer Trägerflüssigkeit und mindestens einer in die Trägerflüssigkeit eingebrachten Probe (2-4), dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2-4) in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung räumlich begrenzt ist und sich in Strahlrichtung nur über einen Teilbereich des Mikroflüssigkeitsstrahls (1) erstreckt.
  20. Mikroflüssigkeitsstrahl (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Mikroflüssigkeitsstrahl (1) in Strahlrichtung hintereinander mehrere Proben (2-4) befinden, die räumlich voneinander getrennt sind.
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