Sekundarna ionska masna spektrometrija s primarnimi težkimi ioni energij v območju MeV, znana pod akronimom MeV-SIMS, spada med nove metode za slikanje velikih biomolekul v bioloških tkivih. Začetek metode MeV–SIMS sega v leto 2008, ko je metodo prvič uporabila raziskovalna skupina v Kyotu. V letu 2011 so raziskave na tem področju pričeli na Inštitutu Jožef Stefan (IJS), kjer so na eksperimentalno postajo z visokoenergijskim fokusiranim žarkom instalirali linearni masni spektrometer z merjenjem časa preleta.
V osnovni konfiguraciji deluje spektrometer za MeV-SIMS na IJS s pulzirajočim primarnim žarkom. Najpogosteje pri tem uporabljamo ionski žarek 35Cl6+ z energijo 5.8 MeV. Delovanje spektrometra in zmogljivost metode smo preizkušali na referenčnih materialih in na vzorcih bioloških tkiv, kjer smo detektirali specifične molekule in njihovo dvodimenzionalno porazdelitev v tkivih. Kljub uporabnim rezultatom kaže MeV-SIMS s pulzirajočim žarkom resne omejitve v masni in lateralni ločljivosti. V slikovni masni spektroskopiji je dobra masna ločljivost pomembna za učinkovito prepoznavanje vrhov v masnih spektrih, medtem ko dobra lateralna ločljivost odločilno prispeva k uporabnosti v biomedicini, kjer nas zanimajo porazdelitve molekul na nivoju posameznih bioloških celic.
V doktorski disertaciji sem si kot glavni cilj zadal izboljšati spektrometrijo MeV–SIMS in jo uporabiti pri interdisciplinarnih raziskavah. Pri tem sem se posvetil ključnim zahtevnim postopkom izvedbe MeV-SIMS in iskal alternativne poti za izboljšave.
Posebej smo se posvetili pristopu, ki omogoča molekularno slikanje brez fokusiranja in rastrskega premikanja primarnega žarka. Testirali smo lastnosti stigmatskega slikanja sekundarnih ionov z namestitvijo pozicijsko občutljivega detektorja TimePix na spektrometer za merjenje časa preleta sekundarnih ionov. Ocenili smo lastnosti preslikave sekundarnih ionov z izbrane koordinate na vzorcu na ustrezajoče koordinate na detektorju TimePix v elektrostatski leči tipa »einzel«. Taka postavitev je posebej primerna za slikanje s primarnimi žarki, ki jih je težko fokusirati in premikati po vzorcu. To drži za visokoenergijske ionske žarke težkih ionov s tandemskih pospeševalnikov, kjer magnetna rigidnost presega zmogljivosti standardnih kvadrupolnih leč. V stigmatskem načinu slikanja smo pokazali, da je mogoče dosegati lateralno ločljivost 37 mikrometrov, kar ni daleč od lateralne ločljivosti 15 mikrometrov, ki smo jo dosegali z metodo MeV-SIMS pred izvedbo izboljšav v okviru te disertacije.
Pri MeV-SIMS s pulzirajočim primarnim žarkom prepustimo primarni žarek na tarčo v zelo kratkih ponavljajočih se intervalih velikostnega reda 10 ns. Ob primarnem ionskem toku 10 pA se tako pogosto zgodi, da v obdobju trajanja pulza vzorca ne zadene primarni ion. Kljub temu je potrebno po tem intervalu čakati na meritev časa preleta. Da se izognemo praznim periodam čakanja in zaznamo znatno število sekundarnih ionov, moramo močno odpreti reže ionsko-optičnega sistema. To nam prinese slabo lateralno ločljivost velikostnega reda 15 mikrometrov.
Pot k izboljšanju lateralne in masne ločljivosti je vodila preko alternativnega načina proženja meritve časa preleta sekundarnih ionov. V okviru disertacije smo tako izvedli niz poskusov, v katerih smo poskusili prožiti meritev časa preleta z detekcijo sekundarno emitiranih elektronov in vodikovih ionov. V večini poskusov smo izmerili spektre, ki z omejeno časovno ločljivostjo niso izpolnjevali zahtevnih standardov sodobne masne spektroskopije. Preboj smo desegli z zaznavanjem posameznih primarnih ionov po preletu vzorca s postavitvijo enokanalnega pomnoževalca za preiskovani vzorec. Z odstranitvijo zahtevnega pulziranja primarnega žarka in deterministično detekcijo posameznih primarnih ionov smo lahko intenziteto primarnega žarka zmanjšali za vsaj tri velikostne rede na približno 5000 ionov na sekundo. To smo dosegli z zapiranjem rež na ionskooptičnem sistemu, ki je prineslo oblikovanje primarnega žarka s premerom, manjšim od enega mikrometra. Močno izboljšana lateralna ločljivost v tem novem pristopu omogoča molekularno slikanje bioloških tkiv na celičnem in podceličnem nivoju. Prav tako smo z detekcijo posameznih ionov izboljšali časovno natančnost signala za začetek merjenja časa preleta, kar se je odrazilo v boljši masni ločljivosti. Da bi preprečili kopičenje ozadja zaradi naključno prispelih ionov med merjenjem časa preleta, smo v tem obdobju zaprli pot primarnim ionom.
Nov način merjenja s kontinuiranim primarnim ionskim žarkom zahteva tudi posebno pripravo bioloških tkiv v obliki tankih vzorcev, saj je doseg primarnih klorovih ionov energije 5 MeV v bioloških tkivih zgolj pet mikrometrov. Skupaj s kolegi iz biotehniške fakultete univerze v Ljubljani smo uspeli pripraviti ustrezno tanke rezine bioloških tkiv, ki smo jih odložili na 100 nanometrov debele polimerne folije iz pioloforma. Ker sekundarne ione z vzorca elektrostatsko pospešimo, je potrebno na obe površini folije pioloforma napariti tanko prevodno plast ogljika.
Metodo MeV–SIMS s kontinuiranim primarnim ionskim žarkom smo najprej izvedli na referenčnih vzorcih. Iz rezultatov smo določili masno in lateralno ločljivost metode in prispevke ozadja v spektrih. V nadaljnem delu smo analizirali vzorce bioloških tkiv, tako živalskega kot tudi rastlinskega izvora. Prve analize takih vzorcev so potrdile, da med pripravo izbranih tkiv v obliki liofiliziranih rezin debeline do 3 µm dobro ohranimo morfologijo in molekularno strukturo bioloških tkiv. V teh poskusih smo pokazali, da je z metodo možno slikati molekularne porazdelitve znotraj posamezne celice.
Glede na to, da nas je k predstavljenem delu vodila želja po merjenju porazdelitve biomolekul v tkivih z masami več kDa, smo ocenili tudi zgornjo masno limito sekundarnih ionov, ki jo lahko zaznamo na naši postavitvi. Pri masni spektrometriji z merjenjem časa preleta sekundarnih ionov pospešimo molekule z napetostjo na vzorcu. Hitrosti sekundarnih ionov se manjšajo s povečevanjem njihove mase, kar povzroči slabši izkoristek detekcije težjih sekundarnih ionov z večjo maso na detektorju z mikrokanalnimi ploščicami. Izmerili smo izkoristek detekcije pri pospeševalnih napetostih od 500 do 5000 V pri molekulah z masami od 2 Da do 1 kDa. Rezultati so pokazali močno zmanjšanje učinkovitosti detekcije sekundarnih ionov z masami nad 1 kDa. Predlagali smo načine, kako odpraviti to ključno ozko grlo metode. Za to je potrebno bodisi povišati pospeševalno napetost, uporabiti izoliran detekcijski sistem za dodatno pospešitev sekundarnih ionov pred njihovo detekcijo, ali uporabiti masni spektrometer, ki zaznava sekundarne ione z drugačnim pristopom. Med posebno primerne masne spektrometre za MeV-SIMS bi sodil masni spektrometer orbitrap, ki ne meri časa preleta sekundarnih ionov, pač pa frekvenco radialnih oscilacij v elektrostatskem polju vretenaste oblike.
|