JP7162954B2

JP7162954B2 - レーザと同軸のイオン励起装置

Info

Publication number: JP7162954B2
Application number: JP2022516229A
Authority: JP
Inventors: 相双紅
Original assignee: Zhejiang Digena Diagnosis Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Digena Diagnosis Technology Co Ltd
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-10-31
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN111161998A; WO2021159861A1; US20220157591A1; EP3993009A1; EP3993009A4; JP2022541672A

Description

本発明はマトリックス支援レーザ脱離イオン化飛行時間型質量分析の分野に関し、特にレーザと同軸のイオン励起装置に関する。

従来のマトリックス支援レーザ脱離イオン化飛行時間型質量分析装置は、構造が複雑で、レーザによる励起の調整難易度が大きく、イオンの励起時は一般的にバイアス励起であり、励起したイオン雲は空間分布が非対称でありかつ広く分布し、イオンの励起後のイオン飛行に不利であり、イオン化効率が理想的でなく、解像度が理想的でなく、製造コストが高い。従来のバイアス励起光路による空間の不均一分布、イオン電荷の不均一分布、イオン発生時間の不均一分布は質量分析検出結果に影響を与える重要な要素である。

上記技術的問題を解決するために、本発明は構造設置が合理的で、順方向励起し、焦点が調整可能でスポットが対称かつ不均一のレーザと同軸のイオン励起装置を提供する。

本発明の具体的な技術的解決手段は以下のとおりである。レーザと同軸のイオン励起装置は、光路中心とイオン伝送チャネルとを含む。そのうち、光路中心は空いており、光路中心とイオン伝送チャネルは同軸であり、イオン伝送チャネルはマトリックスキャリアに垂直であり、レーザ集束スポットは不均一性集束であり、光路はレーザ伝送光路、視覚監視光路、視覚照明光路、光強度監視光路を含むが、これらに限定されるものではない。

具体的には、
前記レーザ伝送光路は順次設けられたレーザ機器、ビームエキスパンダ、二重反射ミラー、全反射ミラー及び対物レンズを含むが、これらに限定されるものではなく、
前記視覚監視光路は順次設けられたレーザ透過ミラー、光源分光器及びレンズ群を含むが、これらに限定されるものではなく、視覚監視光路とレーザ機器は共役となり、
前記視覚照明光路は順次設けられた視覚光源、光源分光器及びレーザ透過ミラーを含むが、これらに限定されるものではなく、視覚照明光路とレーザ機器は共役となり、
前記光強度監視光路は感光センサを含むが、これに限定されるものではなく、
前記イオン伝送チャネルは可変曲面イオンレンズ、イオンフィルタ又はイオン検出装置を含むが、これらに限定されるものではない。ここで、レーザ機器はレーザ光源とし、イオン検出装置は従来の構造とする。

以上の構造を用いると、従来技術に比べ、本発明は以下の利点を有する。本発明は構造設置が合理的で、励起光路がイオン生成及びイオン飛行の経路に沿って同軸で励起し、励起によって生成された空間状態が励起ポイントで対称性分布となり、レーザ脱離イオン化によって生成されたイオン雲は励起ポイント空間の約１０－２００μｍの空間において均一に分布し、集束により、イオンの空間的差異が小さくなり、イオン飛行を経ると、質量分析の解像度を効果的に向上させることができる。

好ましくは、前記対物レンズは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、対物レンズはイオンマトリックスキャリアに垂直に設けられる。

好ましくは、前記全反射ミラーは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、他の部分は反射ミラーとする。

好ましくは、前記二重反射ミラーは全反射ミラーであり、中心反射面と環状反射面を有し、中心反射面は中心光源を環状反射面に反射し、環状反射面はレーザを入射光に沿って同軸で反射し、中心が空いている環状レーザ伝送チャネルを形成する。

好ましくは、前記二重反射ミラーは、中心に孔又は完全透過領域があり、レーザが孔を通過して、反射されずに感光センサに直接到達でき、それにより、レーザ強度を監視又は測定する。

好ましくは、前記視覚光源はレーザ機器と波長が異なり、マトリックスキャリアの状態を同期監視し、レーザによる励起の集束調整状態を観測するために用いることもできる。視覚光源は、平行光又は準平行光光源である。

好ましくは、前記全反射ミラーは、固定焦点のイオン励起に用いられる単一の中空の全反射ミラー、又は線走査若しくは面走査によるイオン励起に用いられる中空の走査ミラー群であり、ただし、中空の走査ミラー群は、１つの中空の走査ミラー又は２つの中空の走査ミラーを含む。

好ましくは、前記ビームエキスパンダと二重反射ミラーとの間には、必ずではないが、焦点調整レンズ群を増加してもよく、焦点調整レンズ群は視覚監視装置と連動してレーザビームの集束位置を調整することができる。

好ましくは、前記イオン検出装置の検出面はイオン伝送チャネルと同軸であり、感光センサはレーザ機器と同軸である。

さらに、前記可変曲面イオンレンズはイオン伝送チャネルと同軸であり、可変曲面イオンレンズは制御可能な可変曲面レンズである。制御可能な可変曲面レンズは電子制御型可変曲面レンズ、油圧型可変曲面レンズ、気圧型可変曲面レンズを選択することができ、好ましくは電子制御型可変曲面レンズとする。

本発明の装置の概略図である。本発明の集束エネルギーの概略図である。本発明のイオン強度の概略図である。

以下、実施例を参照しながら本発明についてさらに説明する。

実施例
図１に示すように、レーザと同軸のイオン励起装置は、光路中心とイオン伝送チャネルとを含み、光路中心は空いており、光路中心とイオン伝送チャネルは同軸であり、イオン伝送チャネルはマトリックスキャリアに垂直であり、レーザ集束スポットは不均一性集束であり、光路はレーザ伝送光路、視覚監視光路、視覚照明光路、光強度監視光路を含むが、これらに限定されるものではなく、そのうち、レーザ伝送光路は順次設けられたレーザ機器３、ビームエキスパンダ４、二重反射ミラー８、全反射ミラー９及び対物レンズ１０を含むが、これらに限定されるものではなく、視覚監視光路は順次設けられたレーザ透過ミラー５、光源分光器６及びレンズ群７を含むが、これらに限定されるものではなく、視覚監視光路はレーザ機器と共役となるとともに、カメラ１によって監視し、視覚照明光路は順次設けられた視覚光源２、光源分光器６及びレーザ透過ミラー５を含むが、これらに限定されるものではなく、視覚照明光路とレーザ機器３は共役となり、光強度監視光路は感光センサ１２を含むが、これに限定されるものではなく、イオン伝送チャネルはイオンフィルタ、イオン検出装置を含むが、これらに限定されるものではない。ここで、レーザ機器はレーザ光源とし、レーザ伝送光路に入り、ビームエキスパンダ４、レーザ透過ミラー５、二重反射ミラー８、全反射ミラー９を順次通過して対物レンズ１０、感光センサ１２に入り、イオン検出装置は従来の構造とし、重複する説明は省略する。ここで、レーザ集束によるレーザスポットエネルギーは中心から周囲へ不均一に集束し、集束スポットの大きさは１０μｍから５００μｍである。

ここで、対物レンズは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、対物レンズはマトリックスキャリアに垂直に設けられる。同様に、全反射ミラーは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、他の部分は反射ミラーとする。さらに、二重反射ミラーは全反射ミラーであり、中心反射面と環状反射面を有し、両者の位置関係には、中心反射面は中心光源を環状反射面に反射し、環状反射面はレーザを入射光に沿って同軸で反射し、中心が空いている環状レーザ伝送チャネルを形成する。また、二重反射ミラーは、中心に孔又は完全透過領域があり、レーザが孔を通過して、反射されずに感光センサに直接到達でき、それにより、レーザ強度を監視又は測定する。

視覚光源はレーザ機器と波長が異なり、マトリックスキャリアの状態を同期監視し、レーザによる励起の集束調整を観測するために用いることもできる。視覚光源は、平行光又は準平行光光源であり、例えばハロゲンランプ光源、ＬＥＤランプ光源である。

また、全反射ミラーは、固定焦点のイオン励起に用いられる単一の中空の全反射ミラー、又は線走査若しくは面走査によるイオン励起に用いられる中空の走査ミラー群であり、ただし、中空の走査ミラー群は、１つの中空の走査ミラー又は２つの中空の走査ミラーを含む。また、ビームエキスパンダと二重反射ミラーとの間には、必ずではないが、焦点調整レンズ群１３を増加してもよく、焦点調整レンズ群は視覚監視装置と連動してレーザビームの集束位置を調整することができる。また、イオン検出装置の検出面はイオン伝送チャネルと同軸であり、感光センサはレーザ機器と同軸である。

さらに、レーザ集束によるレーザスポットエネルギーは中心から周囲へ不均一に集束し、集束スポットの大きさは１０μｍから５００μｍである。

上記設置によると、同軸での励起による集束イオンの空間分布：励起光路がイオン生成及びイオン飛行の経路に沿って同軸で励起し、励起によって生成された空間状態が励起ポイントで対称性分布となり、レーザ脱離イオン化によって生成されたイオン雲は励起ポイント空間の約１０～２００μｍの空間において均一に分布し、集束により、イオンの空間的差異が小さくなり、イオン飛行を経ると、質量分析の解像度を効果的に向上させることができる。

均一に分布する不均一なエネルギー集束モードによる広範囲の質量電荷比の励起効率の向上：質量分析検出時の質量範囲が小さい場合、マトリックスキャリアのレーザ脱離イオン化時に必要なレーザエネルギーはほぼ同じであり、均一な励起イオンを生成するには励起ポイントで均一性の励起エネルギーを取得することが必要であり、質量分析検出時の質量範囲が広い場合、異なる分子量のイオンを励起するには異なるレーザエネルギーが必要であり、質量範囲内において大分子量と小分子量で励起されるイオン数が基本的にバランスを取り、広範囲で質量範囲を拡張することができるように、励起は差異化を必要とする。中空光路設計により励起ポイントで不均一なレーザエネルギー分布が形成され、レーザ強度が一定である場合、励起ポイントのエネルギー分布を調整することにより、大きさが１００－１００００００分子量の質量範囲に適応することができ、分子量範囲が比較的狭く、例えば１０００－３０００であり、又は４０００－８０００である場合、図２における２の集束モードを選択することで、励起効率及び分子量分布が均一になり、質量範囲が比較的大きくかつ質量電荷比が比較的高く、例えば１００００－５０００００である場合、図２における３の集束モードを選択することで、レーザエネルギーが比較的集中し、小分子量のイオン数が比較的少なく、大分子量の励起の数が比較的多く、質量範囲が大きくかつ質量電荷比が低く、１００－１０００００である場合、図２における１の集束モードを選択することで、小分子量の励起効率が低く、大分子量の励起効率が高いようになり、励起ポイントで不均一に分布するレーザエネルギーは分子量に必要な励起エネルギーと質量範囲内の高低分子量の励起の数との差にバランスを効果的に取ることができ、有益な効果は図３の破線に示すとおりであり、励起ポイントでレーザが均一に分布する場合、分子量の増加に伴い、イオンの励起効率が低下する傾向があり、励起ポイントにおけるレーザエネルギーの調整により、イオン強度を質量範囲内でほぼ平らにすることができ、図３の実線に示すとおりである。イオンの存在度曲線がほぼ均一である場合、レーザ強度又はイオン検出器の倍率を高めることにより、感度の要件を満たすことができる。解像度と感度の要件を両立させる。

同軸かつ高速の動的走査：単一の中空全反射ミラーを選択する場合、固定焦点でマトリックスキャリアを励起することができ、中空走査ミラー群を選択する場合、レーザは所定の軌跡に従って走査励起を行い、線形、面、曲線の走査方式を形成することができ、走査データを合成した後、マトリックスキャリアの点、線、面の走査画像を形成することができる。

励起又は焦点調整過程のリアルタイム監視：同軸監視光源及びモニタにより、励起及び焦点調整過程のリアルタイム画像を観察することができ、さらに励起及び焦点調整のために達成する必要がある状態を確認する。

励起エネルギーの閉ループ監視：現在、レーザ機器が出力した後、レーザエネルギーが効果的に監視されず、励起が成功するか否か又は励起エネルギー及び励起遅延が所望の要求を満たすか否かは確認できない。本発明は、感光センサにより、レーザが励起する時に各レーザパルスのエネルギーが所望に応じて既に出力されたか否か、励起遅延が所望の用途を満たすか否かを監視することができることに利点がさらにある。感光センサは、レーザエネルギーを監視する場合、レーザ波長に応じて、対応する波長のフォトレジスタ、フォトダイオードなどであってもよいが、これらに限定されず、レーザ励起遅延時間を監視する場合、レーザ波長に応じて、対応する波長のフォトトランジスタ、光ファイバ形光電センサなどであってもよいが、これらに限定されない。それにより、構造全体の設置が合理的かつ簡単であり、使用効果が高く、イオン質量範囲が広く、解像度が高く、励起状態でのイオンの存在度を効果的に向上できる。

本発明で用いられる原料、機器は、特に断らない限り、いずれも当該分野においてよく使用されている原料、機器であり、本発明で用いられる方法は、特に断らない限り、当該分野における通常の方法である。

以上は、本発明の好適な実施例にすぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の技術的実質に基づいて以上の実施例に対して行われた任意の簡単な修正、変更及び同等変換は、いずれも本発明の技術的解決手段の保護範囲に属する。

１カメラ
２視覚光源
３レーザ機器
４ビームエキスパンダ
５レーザ透過ミラー
６光源分光器
７レンズ群
８二重反射ミラー
９全反射ミラー
１０対物レンズ
１１イオン検出装置
１２感光センサ
１３焦点調整レンズ群

Claims

光路中心とイオン伝送チャネルとを含むレーザと同軸のイオン励起装置であって、前記光路中心は空いており、光路中心と前記イオン伝送チャネルは同軸であり、イオン伝送チャネルはマトリックスキャリアに垂直であり、レーザ集束スポットは不均一性集束であり、光路はレーザ伝送光路、視覚監視光路、視覚照明光路、及び光強度監視光路を含み、
前記レーザ伝送光路は順次設けられたレーザ機器、ビームエキスパンダ、二重反射ミラー、全反射ミラー及び対物レンズを含み、
前記二重反射ミラーは、中心反射面と環状反射面を有し、中心反射面は中心光源を環状反射面に反射し、環状反射面はレーザを入射光に沿って同軸で反射し、中心が空いている環状レーザ伝送チャネルを形成する、
ことを特徴とするレーザと同軸のイオン励起装置。
前記視覚監視光路は順次設けられたレーザ透過ミラー、光源分光器及びレンズ群を含み、視覚監視光路とレーザ機器は共役となり、
前記視覚照明光路は順次設けられた視覚光源、光源分光器及びレーザ透過ミラーを含み、視覚照明光路とレーザ機器は共役となり、
前記光強度監視光路は感光センサを含み、
前記イオン伝送チャネルは可変曲面イオンレンズ、イオンフィルタ又はイオン検出装置を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記対物レンズは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、対物レンズはマトリックスキャリアに垂直に設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記全反射ミラーは中空構造であり、中空部分はイオン伝送チャネルとし、他の部分は反射ミラーとする、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記二重反射ミラーは、中心に孔又は完全透過領域があり、レーザが孔又は完全透過領域を通過して、反射されずに前記感光センサに直接到達し、レーザ強度を監視又は測定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記視覚光源はレーザ機器と波長が異なり、マトリックスキャリアの状態を同期監視し、又はレーザによる励起の集束調整に用いられる、
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記全反射ミラーは、固定焦点のイオン励起に用いられる単一の中空の全反射ミラー、又は線走査若しくは面走査によるイオン励起に用いられる中空の走査ミラー群であり、ただし、中空の走査ミラー群は、１つの中空の走査ミラー又は２つの中空の走査ミラーを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記ビームエキスパンダと二重反射ミラーとの間に焦点調整レンズ群が設けられ、前記焦点調整レンズ群は視覚監視装置と連動してレーザビームの集束位置を調整するために用いられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。
前記レーザ集束によるレーザスポットエネルギーは中心から周囲へ不均一に集束し、集束スポットの大きさは１０μｍから５００μｍである、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザと同軸のイオン励起装置。