1.发明领域

本发明涉及一种激光解吸附离子源，具体来说，涉及一种通过在单个平面使光 束支配性会聚来优先使光源所发出光束成型、与激光解吸附离子源一起使用的激光 光机。

2.现有技术说明

激光解吸附离子源是利用会聚的激光光束所固有的能量来促使中性粒子和/或离 子与固态或液态物质脱离吸附的设备。在固体物质情况下，所关注材料或样品是在 通常称为探头的样品承载体上作为固态晶体或薄膜提供的。至于液体物质，该流体 则是作为小液滴或细微喷液引入的，可在蒸汽中或一物理承载体上脱离吸附。

能量传送工艺过程可经过对材料的直接热激励或电子激励或者非直接热激励。 若材料从激光源直接吸收能量，并响应电子激励通过直接热变化或次级热变化来加 热的话，该工艺过程便称为激光导致热解吸附(LITD)。若所关注材料在作为共晶 或薄膜基质的组成部分的同时从相邻化合物接收热能的话，该工艺过程便称为带基 质辅助的激光解吸附(MALD)。若所关注材料或样品已经过探头表面的物理改良、 提取或放大，或者探头表面包含能够对所关注样品进行非直接能量传送的一体能量 吸收分子的话，该工艺过程便称为表面增强的激光解吸附(SELD)。

假使对上述解吸附主旨创造出优先离子化，该工艺过程便分别称为激光解吸附/ 离子化(LDI)，带基质辅助的激光解吸附/离子化(MALDI)以及表面增强的激光吸 附/离子化(SELDI)。

不论用的是哪一种能量传送工艺过程，激光解吸附离子源主要由通常称为激光 光机的部件集合所组成。这种激光光机在图1中示意性给出。

通常，激光光机10包括：一通常为连续光束或脉冲激光的光源或光子源11，光 束分束器12，光敏二极管或其他光敏检测器13，衰减器14，透镜15，反光镜16以及 通常为一包括所关注材料样品在内的探头的目标17。    

若采用连续光束激光作为光源11，解吸附/离子化便按恒定的占空因数发生。根 据需要，通常通过采用阻挡光束的快门或将光束导向至光束堆(未图示)的可移动 反光镜来实现光束的高速选通。若采用脉冲激光作为光源11，该占空因数便取决于 脉冲宽度和重复速率。通过对脉动过程的控制来实现光束的高速选通。

某些情况下，激光光机可包括光敏检测器或光敏二极管13在脉冲激光应用情形 下对激光源能量进行测定或对激光发生事件进行检测。通常，光学分束器12用来从 入射光束当中分出一小部分，并将它导向合适的光敏检测器。若用光敏检测器来测 定所传递的能量，通常是热发射、光发射或半导体检测器等种类。若光敏检测器起 到检测激光脉冲序列其激光发生事件这种作用，光敏检测器便优先为一小表面积半 导体光敏二极管，能够以很快的响应时间传递。

所传播的激光光束需要为激光解吸附用途加以处理。这种处理通常包含对激光 能量，激光能量密度(激光能量/单位面积)和/或激光辐射强度(辐射功率/单位面 积)的控制。为实现后者，通常采用透镜和衰减器的组合。典型的激光能量衰减器 件包括一机械虹膜、中密度滤光器或菲涅耳反射/折射器件。若中密度滤光器具有允 许对所传输激光能量进行连续调节的光密度梯度，便称为梯度中密度滤光器 (GNDF)。

通过慎重选择反光镜和透镜对目标上会聚的光斑其最终尺寸加以控制。通常采 用的是在提供所需的能量密度或辐射强度动态范围的情况下同时优化光能量密度。 另外，衰减元件和会聚元件的组合应优化产生一图像，其空间分布形成一解吸附轨 迹，即在维持最大离子提取效率的情况下同时促进取得最大取样面积。

增大取样面积具有三方面主要优点，具体来说，就是减少分析时间、提高样品- 样品间的重复性、以及提高分析灵敏度。减少分析时间其优点是显然的并且通常是 希望的。若用各个激光光斑来针对更加大量的取样面积，与所用激光斑较小的方法 所需时间相比，便可在较少的时间内全面查询给定取样区域。

前面说明的激光解吸附方案所用的典型样品制备技术，固有地产生带有可感知 量的异源(heterogeneity)差异以及微环境差异的固态或液体样品。这些差异是测 试多个相同样品时重复性方面的质量源以及数量源。虽然某些方法例如SELDI起到减 小这些效应的作用，但仍可观察到统计上的显著微扰。采用大激光探测区域，通过 提高对各个激光解吸附事件调查的取样面积，在统计上减小微异源效应来提高重复 性。

相对于取样激光辐射强度而言，使目标探测面积扩大所采取的手段很重要。一 般来说，前面提及的方案的取样解脱离和离子化在某些阈值辐射强度水平上发生。 而且，往往希望具有在明显高于阈值的水平上操作的能力。因此，激光斑面积的给 定增加会需要激光辐射功率相应增加。这种激光辐射功率的增加可造成采用更高功 率和更高成本激光源的需要。因而，需要的是使目标取样面积增加但不必使激光辐 射功率有明显增加的手段。

之所以取得提高的分析灵敏度，是因为考虑到可有效提取解吸附云内另外的经 过离子化的材料，而对每一解吸附事件使更多样品解吸附和离子化。该解吸附云可 视为能够屏蔽外加电场的离子、中性粒子和电子的集合。通常认识到，离子提取发 生在称为等离子趋肤深度的解吸附云给定轴向长度内。等离子趋肤深度是外加电场 强度透过但对带电粒子不起作用的解吸附云外周周界的那部分。通常按解吸附工艺 过程的基础动能并对一给定条件组加以确定，并认为相对来说取决于解吸附云的带 电粒子密度。

对前面所述技术而言，解吸附云带电粒子密度已确定为取决于所加的激光辐射 强度。低辐射强度水平产生名义带电粒子密度的解吸附云。在这些情况下，等离子 趋肤深度可向解吸附云中心可观地延伸，绝大多数经过解吸附的离子可得到有效提 取。反之，高辐射强度水平的应用产生极端带电粒子密度的解吸附云，产生一为总 体云尺度一小部分的等离子趋肤深度，从而提供用于离子提取的次优化水平。高低 激光辐射强度水平的差异取决于离子化技术。对SELDI和MALDI应用而言，可考虑高 激光辐射强度为超出10mW/cm2的水平。

从前面的说明可知，在最大数量的解吸附离子处于等离子趋肤深度以内这种条 件下将实现最佳的离子提取效率。按此方式，最好激光光斑几何尺寸以最大的表面 积与体积比来促进解吸附云。

使该工艺过程进一步复杂是产生均匀能量、能量密度或激光光斑辐射强度分布 的要求。解吸附和离子化工艺过程期间，这些气态产物的初始能量状况已显示出有 些取决于所加激光能量的初始量。若激光像包含随位置不同的能量梯度或热区域， 不同区域经过解吸附的产物便会显示明显不同的初始能量。该状况会有损于质量分 析，尤其是采用非正交飞行时间质谱仪技术的话。

                        发明概述

按照本发明，一种与激光解吸附/离子化质谱仪一起使用的激光光机，致力于解 决现有技术的不足。这样一种激光光机包括：用于产生光的激光器；接收激光器光 并在主要是单个平面内使之会聚的光束扩展会聚结构；接收来自光束扩展会聚结构 的光的衰减器；用于使光从衰减器导向至目标的光束导向结构；以及用于使该光束 导向结构的光会聚到目标上的全向会聚元件。

上述元件的组合动作通常服务于这样一种目的，即在产生扩大表面积的目标探 测取样光斑几何尺寸和带有最大表面积与体积比的解吸附云的同时，使激光光斑能 量异源最小。

按照本发明较佳方面，光束扩展会聚结构包含一对柱面透镜，该激光光机还包 括一将来自光束导向结构的光会聚到目标探头上的平凸透镜。

按照本发明另一较佳方面，该光束扩展会聚结构的第一柱面透镜相对于一梯度 的中性密度滤光衰减器优先使激光光束会聚在单个平面内。该会聚平面的取向与中 密度滤光器的梯度方向对齐以便跨传输通过该滤光器的光束存在最小的能量梯度。 此外，由于允许入射光束在会聚平面以外区域发散，所以入射至GNDF的激光光斑面 积大得足以使入射辐射强度限制在低于GNDF损坏阈值的水平。用第二柱面透镜来收 集所传输的光束，并与激光源的固有光束发散相组合，使之扩展以匹配余下光学元 件的数值孔径。

按照本发明另一较佳方面，该光束导向结构通常包括一将光反射至分色滤光器 的反光镜。该分色滤光器允许某些光由此通过，同时将大多数光反射至目标探头。 传输通过分色滤光器的光接着最好传递至一平凸透镜，由此将光会聚到一光敏检测 器上，来测定所加激光能量的数量。

这样，本发明提供的与激光解吸附/离子化质谱仪一起使用的激光光机，允许光 束整形，通过在仅仅一个平面内优先将激光光束会聚为一最小发散来产生该光束整 形。通过一开始在单个平面内会聚激光光束，来实现该光束通过该衰减器后其空间 激光能量梯度的减小。此外，通过第二柱面透镜和该激光源固有的光束发散相组合 作用来实现光束扩展，从而在有选择地允许仅一个尺度上的扩展的同时利用该系统 全面的数值孔径。最后，所生成的离子解吸附轨迹按离子收集/提取效率优化的方式 整形。

本发明的其他特征和优点，将通过参照附图并阅读理解就下面可知的较佳示范 性实施例所作的详细说明，变得更为清楚。图中相同标号表示相同元件。

                            附图简要说明

图1是现有技术激光光机的示意图；

图2是本发明激光光机的示意图；

图3示意性图示出光密度从右往左增加的矩形梯度的中密度滤光器；

图4图示出本发明激光光机所生成的位于目标探头样品区上的经过改进的激光光 斑；以及

图5是本发明激光光机所实现的经过改进的激光光斑几何尺寸的图像。

                        较佳实施例的详细说明

参照图2，图示出的是本发明较佳实施例的激光光机10a。该激光光机包括一光 源或光子源11a，较好是激光形式。所提供的第一透镜20用于将激光器的光会聚到一 衰减器21上。第二透镜22则提供作为一用于将衰减器光会聚到一光束导向装置的会 聚元件。最好该光束导向装置包括反光镜24和滤光器25。较佳实施例中，滤光器包 含一分色滤光器或一分色反光镜。最后所提供的末级透镜26则作为一用于使光会聚 于通常为样品探头的目标40的会聚元件。

较佳实施例中，一触发光敏检测器或光敏二极管30提供作为一激光发生事件传 感器。触发光敏二极管30从衰减器21接收光，这样衰减器21还充当这样一种实施例 中的光束分束器。

另外，较佳实施例中激光光机10a包括一能量测定装置31，其最好包括一用作使 光会聚于能量光敏二极管或光敏检测器33的会聚元件的透镜32，对所加激光能量进 行数量测定。能量测定装置31接收经滤光器25传输的光。

另一较佳实施例中，能量测定装置31包含一凹口或带通滤光器34，以便仅仅是 源11a在其波长范围内的光传输到光敏检测器33的表面。

最好，激光器11a是一脉冲氮气激光器。也可以采用脉冲形式或连续波形式的其 他激光器。激光器所出现的光由第一柱面透镜在主要是单个平面内、最好是垂直平 面或水平平面内会聚。

参照图3，其中光在垂直平面内会聚的激光光机10a的配置示出的是生成一种为 某种雪茄形状的图像的透镜20。该雪茄形状的图像36射到衰减器21上。一较佳实施 例中，衰减器21是一梯度的中密度滤光器。图2所示实施例中，所示出的GNDF为圆 形。但本领域技术人员将会认识到，还可以采用诸如多边形、矩形或正方形这类其 他几何尺寸配置。

根据GNDF的光密度梯度性质，随其传输通过GNDF按光束存在最小能量梯度的方 式生成雪茄形状图像36。这样一种工艺过程示于图3。

图3示出光密度从右往左增加的矩形GNDF。雪茄形状的激光光斑36垂直地配置成 沿其垂直和水平轴存在最小OD梯度，因而使得所传输光束内任何随位置不同的能量 差异为最小。此外，由于允许该光斑在水平平面内聚焦的同时在垂直平面内发散， 所以光斑36的整个面积大得足以使入射辐射强度减小到低于GNDF损坏阈值的水平。

一包括触发二极管30作为激光发生事件传感器的较佳实施例中，至GNDF21的入 射光束其小部分(较好是接近4％)有选择地反射至触发光敏二极管30，其较好是一 高速光敏检测器。传输通过GNDF21的光传递通过第二透镜22，用于使所传输的光束 扩展。

所扩展的光束接着遇到光束导向装置23。光束导向反光镜24用来通过使所扩展 光反射来对较小变动和光束位置进行调节。最好，使所扩展光反射至滤光器25。对 该滤光器特性进行选择以便将大多数入射辐射反射至目标，同时较好是将入射光束 的小部分(较好是低于10％)传输至能量测定装置31。传输通过滤光器25的所传输 入射光光束的一部分可接着由能量测定装置31的透镜32经带宽滤光器34会聚到能量 光敏检测器33上。利用此方法来测定所加上激光能量的数量。能量光敏检测器33的 输出可以按使送达样品探头40的能量总量反射的方式来校准。

另外，滤光器25其优点在于，从目标或样品探头40上发射的是可见光。按照这 种方式，可以用作由此指向样品的端口，或能够进行激光光斑查看。

这样，反光镜24和滤光器25的组合用于产生在合适光平面内使光束取向、优化 击中目标探头所需的光束导向装置，由此来补偿初始光束位置的可能差异。末级透 镜26提供作为一会聚元件，通过使所反射的滤光器25的光束会聚在样品探头40上生 成最终的激光光斑图像41。图4中示出这样一种改进的激光光斑。

最好，透镜20和透镜22是柱面透镜或椭圆反光镜。末级透镜26最好是一凹面反 光镜，平凸透镜或双凸面透镜。较佳实施例中，透镜20和22是柱面透镜，而透镜26 和32则是平凸透镜。这样一种较佳实施例中，透镜20最好具有0.75英寸直径、25mm 厚度和6.70mm的有效焦距(EFL)。透镜22最好具有1英寸直径、4.36mm厚度和 75mmEFL。透镜26和32最好具有20mm直径、3mm厚度和70mmEFL。对透镜尺寸和焦距选 择得可与给定光源较理想地工作。透镜材料选择为符合波长以及辐射强度/能量方面 的要求。透镜的上述尺度选择为与具有给定量光束发散并具有200微焦耳的脉冲能量 的氮气源激光器(337nm)一起理想工作。

较佳实施例中，反光镜24包含经UV增强的铝，并具有尺度为25mm2×6mm。而 且，较佳实施例中滤光器25是对15度入射优化的分色滤光器，在337nm具有90％反射 /8％透射，在450nm具有80％透射，并具有1英寸直径。同样，反光镜和分色滤光器 的尺寸和组成按入射波长、入射辐射强度和光束发散来选择。

由本发明激光光机所得到的经过改进的激光光斑几何尺寸最好生成一测定为约 1mm宽但高度小于50微米的图像。这样，最好是图像的宽度或长度或主轴为图像高度 或长度或次轴近20倍这么大。该比例可以为5∶1和20∶1之间，但最好在大约20∶1。

图5示出所测定的激光光斑图像。该激光光斑几何尺寸结果是覆盖大范围的样品 探头，同时产生一雪茄形状的解吸附轨迹。即便该激光光斑为现有技术方法的5-10 这么宽，也通过仅在一平面内会聚得到解吸附和离子化所需的足够激光能量密度， 因此使得总辐射面积减小并保留。按此方式避免了对更大输入激光能量水平的需 要，因此允许采用小、低成本激光器平台。

愈来愈多地通过在垂直方向上使样品前进并使激光光斑位置保持固定来重叠连 续的解吸附轨迹。按此方式便可查询该样品提供区的另外区域。因为该解吸附轨迹 最好是雪茄形状的，所以所形成的解吸附羽展开来以具有最大的表面积与体积比。

本发明激光光机在基质辅助激光解吸附/离子化(MALDI)和表面增强激光解吸 附/离子化(SELDI)这些应用中激光解吸附离子源所生成离子的形成以及收集方面 具有这样说明的经过改进的性能。本发明的激光光机采用柱面透镜光束扩展器用于 在产生大表面积的取样光斑和最大的解吸附云表面积与体积比的情况下同时减小激 光光斑能量异源这一目的。

本领域技术人员将会认识到，本发明的激光光机适合与包含磁铁部、静电分析 仪、离子阱、四极子、其他质量滤光器状分析仪、飞行时间以及离子回旋加速器谐 振设备的激光解吸附/离子化质谱仪一起使用。而且，本发明的激光光机适合与两种 上述设备的混合设备一起使用。此外，本发明的激光光机适合与激光解吸附/离子化 离子迁移性质谱仪一起使用。

虽然参照具体的示范性实施例对本发明作了说明，但会理解，将用来覆盖所附 权利要求保护范围内的种种修改以及等同物。

本申请要求享受1999年5月13日提交的美国临时专利申请60/134,071(代理人案 卷号16866-003200US)的优先权，在此通过完整引用其揭示作为参照。

                        发明背景