激光烧蚀单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光烧蚀单元，设及烧蚀装置W及采用该种激光烧蚀单元的电感禪合 等离子体（ICP)离子源，并设及使用该种激光烧蚀单元（例如W用于生物材料的成像）的 方法。
【背景技术】
[0002] 电感禪合等离子体质谱仪（ICPM巧提供关于工业、地质、环境和生物样本的主要 元素、微量元素、痕量元素和超痕量元素的准确定量信息。在ICPMS中，气雾剂样本由运载 气体流运载到所谓的ICP喷灯（torch)。在该喷灯中，气体经受密集的高频率电磁场，其通 过感应现象导致等离子体的形成。来自等离子体的离子然后被提取到质谱仪中，其中它们 基于它们的质荷比被分离。
[0003] ICPMS可与激光烧蚀（LA)禪合W用于烧蚀来自固体样本的材料，W便创建ICP所 需的气雾剂。烧蚀可直接在ICP喷灯中执行，或者样本可被放置在ICP喷灯的上游的外部 激光烧蚀单元中，并且通过激光烧蚀创建的气雾剂由运载气体流传送到ICP喷灯。例如，参 考文献1示出激光烧蚀单元（所谓的HEAD单元），其中气雾剂喷射方向平行于运载气体的 方向。在参考文献2中示出了基于类似原理的另一个激光烧蚀单元设计。
[0004] 自九十年代上半期开始，已经作出通过在样本表面上扫描激光光斑来将激光烧蚀 ICPMS(LA-ICPM巧用作化学成像工具的尝试。许多研究已经基于相当多的各种各样的硬样 本和软样本证明了LA-ICPMS的潜在的成像能力。运些研究中的大部分显示大约5-100ym 的有效空间分辨率。尽管LA-ICP-MS提供单细胞中的抗原表达的高度多重定量分析，但是 其当前缺少组织样本内的单细胞的成像所需的分辨率。 阳〇化]然而，诸如组织切片的诊断分析的一些应用要求更高的空间分辨率，例如，W便可 视化细胞间变异性。通过与系统分散卷曲（convolute)的激光光斑尺寸来确定有效的空间 分辨率。系统分散反过来通常由每个激光射出之后的气雾剂冲洗时间和扫描速度之间的折 衷控制。冲洗时间越长，如果扫描速度保持固定，那么更多的重叠将发生在源自相邻样本点 的信号之间。因此，气雾剂冲洗时间通常为用于提高分辨率而不增加总扫描时间的关键限 制因素中的一个。
[0006] 最快的冲洗时间可通过喷灯内烧蚀实现，导致几毫秒的单射出信号持续时间。然 而，喷灯内烧蚀局限于非常小的样本，并且激光光斑的扫描非常难于通过喷灯内烧蚀实现。 因此，对于成像应用，通常采用外部激光烧蚀单元。然而，即使通过最好的已知单元设计，冲 洗时间通常为秒的量级，并且在100毫秒W下的短冲洗时间是难于实现的。
[0007] 本发明的目的在于提供进一步的和改善的激光烧蚀单元，W及包含该类单元的烧 蚀装置（例如，链接到ICP-M巧，该类单元在用于生物材料（诸如组织样本、单层细胞和生物 膜）的成像的技术中具有应用，并特别地使LA-ICP-MS适于用作单细胞成像技术。 阳00引发明概述
[0009] 在第一方面，本发明提供具有实现短的气雾剂冲洗时间的可能性的激光烧蚀单 元。权利要求I中指定了该种激光烧蚀单元。从属权利要求中主张了本发明的进一步的实 施例。
[0010] 因此，提供了包括流道的激光烧蚀单元，所述流道具有用于将运载气体供给到流 道的入口并具有出口。侧向开口被提供在流道的第一壁部分中，并且侧向窗口被放置在流 道的第二壁部分中与侧向开口相对。样本室被提供邻近侧向开口。样本室被配置W-种 方式接收样本W使得得激光束通过侧向窗口和侧向开口进入样本室，并撞击在样本的表面 上，W便从样本表面烧蚀材料并且创建气雾剂。样本室具有用于将屏蔽气体（sheathgas) 供给到样本室的入口。
[0011] 流道的入口和出口可连接到管道，所述管道具有基本上与流道本身的横截面积相 同的横截面积。W运种方式，流道基本上像单件管道一样起作用。本发明的烧蚀单元可因 此被认为具有"管单元"设计。通过最小化流道的横截面积（并优选地还有横截面形状的） 的变化，该"管单元"设计允许维持流道中的基本层流模式，从而尽可能地避免端流。此外， 设计允许将样本定位为足够靠近流道，使得较大比例的激光引起的气雾剂烟流被直接引入 运载气体的流中。运些措施显著地减小了分散。在实践中，本单元设计允许将冲洗时间减 小到低于30ms(1 %最大值处的全宽度），并使样本冲洗的拖尾减少到最低程度。运种改进 被观察到用于跨越整个原子质量范围的元素。
[0012] 流道优选地具有基本上不变或者最多微弱变化的横截面积。具体地，流道的横 截面积优选地在侧向开口的附近基本上不变。如果横截面中的任何变化不显著地扰乱层 流，则流道的横截面积可被视为最多微弱地变化。具体地，对于沿流道的任何横截面平面， 如果流道的平均直径的变化沿管轴每Imm长度小于1. 5mm，优选地沿管轴每Imm长度小于 0. 5mm，更优选地，沿管轴每Imm长度小于0. 2mm，，则可认为横截面积最多微弱地变化。优 选地是，流道在侧向开口处不形成显著的收缩，W便避免显著的吸入效应（如在文丘里管 中），并且流道在侧向开口的附近不显著地拓宽，W便避免运载气体被产生的正压力差推入 样本室中。
[0013] 就绝对数目而言，横截面积可采用宽范围的值，运取决于激光光斑尺寸和激光能 量。流道的平均直径（被计算为^/=2^/I7^ :，其中A为横截面积）可例如在从50微米到5 毫米的范围之间，优选地在从200微米到5毫米的范围之间。
[0014] 流道的入口和出口之间的角度优选地为至少160° (准确地说，在160°和200° 之间），更优选地为至少170° (准确地说，在170°和190°之间）。换句话说，流道优选地 为基本上直的或者在任何方向中弯曲不超过20° (或最好不超过10° )。可W选择相对于 流道的方向的屏蔽气体入口的任意方向。优选地，屏蔽气体入口垂直于横向方向延伸。
[0015] 流道和样本室由分离壁分离，其形成其中布置侧向开口的流道的第一壁部分。为 了允许样本被定位为足够靠近流道，分离壁优选地具有小于500微米的最小厚度，更有选 地具有小于200微米的最小厚度。应注意的是，分离壁的厚度可沿流道的周长变化；分离壁 将通常在紧邻于管和样本室之间的开口处具有其最小厚度，并且厚度将在垂直于管轴的平 面中远离开口增大。厚度可进一步沿流道的长度变化。
[0016] 为了最小化由侧向开口引起的流动扰乱，该开口的横截面积应被保持为小的。另 一方面，可W期望的是，使开口足够大，W便使得激光束能够在样本表面上扫描，而不相对 于开口移动样本。作为折衷，侧向开口的横截面积优选地不超过大约20mm2,更优选地不超 过大约7皿2。相对于流道的横截面积表达的，开口的横截面积和流道的横截面积的比率优 选地不超过大约5,更优选地不超过大约3,最优选地不超过大约1。为了使激光束能够通过 侧向开口，侧向开口应优选地具有至少大约0.Olmm2的横截面积。横向于流道的侧向开口 的宽度优选地小于流道的平均直径的80%，并更优选地小于流道的平均直径的50%。侧向 开口在流道的方向中的长度优选地不超过五倍的流道的平均直径，并更优选地不超过=倍 甚至1.5倍的流道的直径。
[0017] 为了实现简单的样本更换，激光烧蚀单元优选地具有两部分设计，包括容纳流道 的第一单元部分（在W下中被称为"单元顶部"）W及形成样本室的第二单元部分（在W下 中被称为"单元底部"）。单元底部优选地可从单元顶部可移除，W用于更换样本。单元底 部优选地朝向单元顶部打开，即，样本室和流道之间的分离壁优选地由单元顶部而非单元 底部形成。术语"顶部"和"底部"被理解为不定义运些部分的绝对取向；运些术语仅用于 更好地区分不同的单元部分，并且激光烧蚀单元也可用于反向取向中，其中单元顶部指向 地板且单元底部指向天花板。
[0018] 本发明还设及包括如上所述的烧蚀单元的完整烧蚀装置。烧蚀装置进一步包括特 别地用于将激光束射出通过侧向窗口和侧向开口并射到样本表面上的激光器（特别地，UV 激光器）W及用于改变样本和激光束之间的相对位置的定位设备。定位设备可包括例如W 下项中的任一个：x-y或x-y-z平台，W用于相对于激光器移动整个激光烧蚀单元；x-y或 x-y-z平台，W用于在激光烧蚀单元内移动样本，同时保持烧蚀单元和激光器之间的相对位 置固定；光束偏转器，W用于使激光束偏转，同时保持烧蚀单元和激光器之间的相对位置固 定；等等。定位设备可被采用W在样本表面上扫描激光束。可随后相对于其元素或同位素 组成来分析得到的气雾剂（例如，通过ICPM巧。W运种方式，可根据其元素或同位素组成来 对样本表面进行成像。然而，本发明不限于结合ICPMS成像来使用烧蚀单元，并且还可W其 中要求短的气雾剂脉冲的其他方法来使用。
[0019] 本发明进一步提供包括如上所述的烧蚀单元的ICP离子源。ICP源进一步包括连 接到烧蚀单元的出口的ICP喷灯，W及将所述烧蚀单元连接到ICP喷灯的管道。优选地，管 道具有横截面积基本上等于烧蚀单元的流道的横截面积或者与流道的横截面积相比，仅微 弱地改变，W便W管道的整个长度上的最小分散维持层流。
[0020] 本发明还包括ICPMS系统，其包括该种ICP离子源W及禪合到离子源的质量分析 器。质量分析器可为例如四极质量分析器、飞行时间（TCF)质量分析器或扇形场质量分析 器（特别地，Mattauch-Herzog质量分析器）。然而，本发明不限于任何特定类型的质量分 析器。
[0021] 本发明进一步提供操作如上所述的烧蚀单元的方法。方法包括W下项（不必W给 定顺序）：
[0022] 将样本放置在样本室中，使得样本的表面面向侧向开口；
[0023] 将运载气体供给到流道的入口；
[0024] 将屏蔽气体供给到样本室的入口；W及
[00巧]通过将脉冲激光束射出通过侧向窗口和侧向开口并射到所述表面上来从表面烧 蚀材料。 阳〇%] 激光束的方向、侧向窗口和侧向开口的取向W及因此样本的取向在空间中可为任 意的。例如，激光束可指向上方、下方、侧面等等，并且样本表面可WW允许激光束到达样本 表面的任何取向进行定向。
[0027] 每个激光脉冲将导致准瞬时的激光生成的气雾剂质量分布（"烟流"）。运里，"准 瞬时"表示比通过运载气体流和屏蔽气体流的质量运输的时间标度短很多的时间标度。激 光生成的气雾剂质量分布单独由激光脉冲的行为引起（忽略运载气体和屏蔽气体的正常 气流）。在激光脉冲和样本的第一交互之后的少于1毫秒内建立该质量分布。样本被优选 地定位在离流道的一定距离处，使得准瞬时的激光生成的气雾剂质量分布的中屯、在侧向开 口和侧向窗口之间的流道内。W通常的方式（W与刚体的质屯、相同的方式）来定义质量分 布的中屯、，对整个气雾剂烟流进行积分。W该方式，大部分的气雾剂烟流被直接注入运载气 体的流中，并且可通过最小分散由运载气体的流