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WO2025185782A1 - Methods for analyzing sample material - Google Patents

Methods for analyzing sample material

Info

Publication number
WO2025185782A1
WO2025185782A1 PCT/DE2024/100186 DE2024100186W WO2025185782A1 WO 2025185782 A1 WO2025185782 A1 WO 2025185782A1 DE 2024100186 W DE2024100186 W DE 2024100186W WO 2025185782 A1 WO2025185782 A1 WO 2025185782A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample material
fluorescence
data
ion
fluorescence response
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
PCT/DE2024/100186
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2025185782A8 (en
Inventor
Alexander FENGLER
Jens Soltwisch
Alexander POTTHOFF
Jan SCHWENZFEIEER
Klaus Dreisewerd
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.)
Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Original Assignee
Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Bruker Daltonics GmbH and Co KG
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 Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster, Bruker Daltonics GmbH and Co KG filed Critical Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority to PCT/DE2024/100186 priority Critical patent/WO2025185782A1/en
Publication of WO2025185782A1 publication Critical patent/WO2025185782A1/en
Publication of WO2025185782A8 publication Critical patent/WO2025185782A8/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458Fluorescence microscopy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0004Imaging particle spectrometry
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H01J49/164Laser desorption/ionisation, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI]

Definitions

  • the disclosure relates to methods and systems for acquiring spatially resolved measurement data from different modalities of sample material arranged on a sample carrier, in particular the partially simultaneous acquisition of such measurement data, and specifically facilitates and improves the co-registration of the measurement data from the different modalities, i.e., their spatial arrangement and alignment in the same coordinate system.
  • the methods and systems according to the disclosure can find advantageous applications in imaging ion spectrometry, e.g., imaging time-of-flight mass analysis of tissue sections, in particular using matrix-assisted ionization and, furthermore, in particular, ionization with matrix-assisted laser desorption (matrix-assisted laser desorption and ionization, MALDI).
  • Mass spectrometry imaging (MSI) using matrix-assisted laser desorption ionization represents a rapidly growing technical field for the spatial representation of molecular distributions, e.g., in tissue sections and cell cultures.
  • MSI mass spectrometry imaging
  • the most accurate co-registration of the modalities used is required. According to the current state of the art, this co-registration is achieved by independently acquired images. As a result, these methods generally exhibit significant inaccuracies at the micrometer level.
  • Patent publication WO 2023/205280 A1 describes methods for enhancing the fluorescence intensity of a sample by applying an aromatic compound. Workflows for a combined fluorescence MALDI microscopy/imaging instrument are also described, combining MALDI imaging and fluorescence imaging of the same sample in a single sample preparation step. The described workflow is intended to reduce sampling time to one working day and minimize sample degradation. In the scientific literature, the technical teaching of the patent publication is referred to by the scientists as "FluoMALDI.”
  • the invention enables the simultaneous and spatially identical or co-localized acquisition of fluorescence response data, e.g., fluorescence spectroscopic data generated during pulsed material ablation for the ion spectrometric analysis of each pixel or image element under investigation, e.g., using MALDI.
  • fluorescence response data e.g., fluorescence spectroscopic data generated during pulsed material ablation for the ion spectrometric analysis of each pixel or image element under investigation, e.g., using MALDI.
  • this may include the spatially and temporally simultaneous acquisition of confocal hyperspectral fluorescence response images and a MALDI-MSI measurement.
  • fluorescent light generated by the local application of energy bursts to the sample material during ion spectrometric analysis can be used to create optical imaging that has substantially identical spatial coordinates and spatial resolution to ion spectrometric analysis.
  • specific fluorescent dyes can be used, which can be added to the sample material prior to measurement.
  • the invention utilizes the fluorescence response that arises in a spatially and temporally dependent manner during an ion spectrometric measurement aimed at the molecular content of the sample material, e.g., a MALDI ionization followed by time-of-flight mass analysis.
  • a fluorescence spectrum or the intensity of a defined wavelength range of emission can be recorded for each irradiated image element or pixel, e.g., in a so-called fluorescence channel. Restricting the measurement to a limited wavelength range can provide the advantage of removing or at least attenuating the interference of the excitation light and any intrinsic fluorescence emission of a matrix substance from the fluorescence response detection.
  • co-localized and spatially precisely linked confocal hyperspectral images can be generated with the ion spectrometric measurement.
  • the material removal for ion spectrometry, e.g., MALDI time-of-flight mass spectrometry, and the excitation of the fluorescence response are performed at the same location and by the same Initiated by an energy burst, e.g., by laser irradiation as in MALDI, they are thus inherently linked both spatially and temporally.
  • Spatially lateral in this context means the location of the local sampling of the sample material in the xy plane spanned by the sample carrier or a plane parallel to it, e.g., formed by a tissue section on the sample carrier.
  • fluorescent dyes can be used, particularly during sample preparation, whose excitation wavelength range coincides or overlaps with the wavelength of the energy-boosting laser.
  • UV-MALDI e.g., at 337 nanometers or 355 nanometers
  • UV-active fluorescent dyes such as Hoechst 33342, DAPI (4',6-diamidine-2-phenylindole), or Calcein Blue are suitable.
  • the fluorescent light generated during the ionization process can either be purified and detected using suitable filters or examined and evaluated spectroscopically.
  • the spatial coordinates of the image elements or pixels of the confocal microscopy image generated in this way correspond exactly to those of the scanned ion spectrometric measurement.
  • an image element or pixel of an imaging ion spectrometric analysis represents the smallest area unit of the sample material whose molecular information is spatially resolved and can be displayed.
  • Typical dimensions of these area units in terms of diameter (e.g., for a circular laser spot) or edge length (e.g., for a rectangular cut) can be selected from the group comprising or consisting of: 1 to 10 micrometers, 10 to 100 micrometers, 100 to 1000 micrometers, 1 to 100 micrometers, 1 to 1000 micrometers, 10 to 1000 micrometers, or any other suitable range between 1 and 1000 micrometers.
  • the size of a laser spot can be selected to be smaller than the size of the image element or pixel, and the molecular information can be captured from such an image element or pixel by repeatedly exposing the sample material to the pulsed laser beam at slightly different locations within the boundaries of the image element or pixel. The molecular information of the individual samples is then accumulated or summed for the image element or pixel. It is understood that such an approach can, in principle, generate fluorescence response data with a more tightly meshed spatial grid than that of ion spectrometric measurement data, which contain the molecular information of several, closely adjacent sampling locations. However, the Fluorescence response data can be mapped to the image element or pixel grid of the ion spectrometric measurement using simple mathematical operations such as addition. It is also possible to design the fluorescence response data acquisition itself so that data from the simultaneously acquired modalities are not recorded in different spatial grids.
  • the image elements or pixels generated with the described setup are generally significantly larger than those that can be produced with a modern fluorescence microscope.
  • the fluorescence response image generated with the described invention simultaneously with the ion spectrometric measurement is therefore primarily intended to serve as a link between MSI and high-resolution optical modalities. While co-registration of different modalities acquired at different resolutions involves a greater degree of error propagation, it can be carried out much more easily and precisely with the same acquisition modality but with different image element or pixel sizes.
  • the resulting transformation which relates the positional coordinates of the different modalities to one another and maps them to one another, can be directly applied to the MSI results due to the described inherent coupling, thus enabling precise and simple co-registration of the high-resolution fluorescence image and MSI.
  • High-resolution fluorescence microscopy usually takes place before the sample material is prepared with matrix substance. However, it is also possible to acquire a high-resolution fluorescence image after the ion spectrometric measurement or in addition to a high-resolution fluorescence image acquired before the ion spectrometric measurement, e.g. for reasons of process control and/or quality assurance.
  • the measurement of fluorescent light intensity can be retrofitted to most existing MSI systems with comparatively little technical effort.
  • the measurement is performed simultaneously and at the same time as the ion spectrometric measurement and requires no additional measurement time or additional energy bursts, such as laser shots. It is more accurate, faster, and more resource-efficient than existing technical solutions.
  • the invention relates, according to a first aspect, to a method for analyzing sample material arranged on a sample carrier and comprising at least one fluorescence-capable substance, comprising the steps of: (a) acquiring spatially resolved ion spectrometric data from the sample material using energy bursts that are designed and suitable to locally To trigger a fluorescence response of the at least one fluorescence-capable substance on the sample material, and simultaneously acquire spatially resolved fluorescence response data from the sample material having a first spatial resolution; (b) acquire fluorescence image data from the sample material having a second spatial resolution that is substantially greater than the first spatial resolution, and wherein step (b) can be carried out in particular before and/or after step (a); and (c) comparing and aligning the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data.
  • material is removed by the action of an energy burst, which naturally limits the period between excitation and quenching of the fluorescence response.
  • the excitation remains below an ablation threshold and thus preserves the sample material, so that a fluorescence response can in principle be excited over a longer period, e.g., to enhance a cumulative fluorescence response.
  • the fluorescence response is sufficiently uniform and reliably detectable even under strongly differing excitation conditions, enabling spatial sequential imaging with increased precision and in an automated manner.
  • the measurement data are acquired, on the one hand, with respect to the different modalities such as ion spectrometry and simultaneous confocal fluorescence detection in the same clamping of the sample carrier, so that the spatial coordinates of the measured signals are co-localized and exactly match, and, on the other hand, with respect to the same modalities such as confocal fluorescence detection during ion spectrometry and a separately acquired, high-resolution fluorescence image, exhibit the same response behavior, the ion spectrometric data and the high-resolution fluorescence image can be spatially related to each other in an automated manner using the confocal fluorescence response data with increased precision.
  • the ion spectrometric data and the high-resolution fluorescence image can be spatially related to each other in an automated manner using the confocal fluorescence response data with increased precision.
  • a distribution of at least one fluorescent substance over the entire sample material allows, in particular in the case of targeted Staining by a user, for example if cell nuclei are appropriately labelled throughout a tissue, the acquisition of data in potentially every analytically interesting surface area of the sample material, so that a high quality of co-registration can be ensured across the entire sample material.
  • a measurement sequence can be designed such that an actuator moves the sample carrier carrying the sample material to a specific ablation position, then first excites material-friendly fluorescence emission in a limited area of the sample material and records it with high spatial resolution, whereupon the corresponding area of the sample material is subjected to energy bursts for material ablation, the resulting ionized sample material is recorded using ion spectrometry, and simultaneously the fluorescence response from the area of the sample material is detected.
  • the measurement series can then be continued by the actuator moving the sample carrier carrying the sample material to the next ablation position and the previously described cycle being repeated on a different area of the sample, for example, until all available areas have been sampled.
  • the fluorescence response data can be used for process control and quality assurance.
  • the spatially resolved fluorescence response data can contain a first spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material
  • the fluorescence image data can contain a second spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material, wherein the smallest possible deviation between the first spatial frequency distribution and the second spatial frequency distribution is sought for the comparison and alignment.
  • the frequency, intensity or abundance distribution of the fluorescence response of the at least one fluorescing substance which is measured with the same measurement modality at different
  • the measurement with spatial resolution allows the alignment of position coordinates from data sets obtained, for example, with different sample holder clamping arrangements.
  • the evaluation can consider the frequency distribution uniformly across the entire fluorescence image data and the fluorescence response data. Alternatively, it is possible to divide the total area from which the respective data originate into area sections, for which the frequency distributions are then evaluated individually. The results from the area sections can subsequently be combined into a unified overall picture using suitable algorithms, with particular attention to continuity.
  • the first spatial resolution may be in the range of micrometers, e.g. selected from the group comprising or consisting of: between 1 and 10 micrometers, between 10 and 100 micrometers, between 100 and 1000 micrometers, between 1 and 100 micrometers, between 1 and 1000 micrometers, between 10 and 1000 micrometers, and any other range between 1 and 1000 micrometers.
  • the second spatial resolution may be in the range of nanometers, e.g. selected from the group comprising or consisting of: between 1 and 10 nanometers, between 10 and 100 nanometers, between 100 and 1000 nanometers, between 1 and 100 nanometers, between 1 and 1000 nanometers, between 10 and 1000 nanometers, and any other range between 1 and 1000 nanometers.
  • the second spatial resolution in units of length differs from the first spatial resolution by a factor of 1/n, where n is selected from the group comprising or consisting of: >2, >3, >4, >5, >6, >7, >8, >9, >10, >15, >20, >30, >40, >50, >100, >1000, >10000, >100000, 1000000, and any other integer or real number greater than two.
  • n is selected from the group comprising or consisting of: >2, >3, >4, >5, >6, >7, >8, >9, >10, >15, >20, >30, >40, >50, >100, >1000, >10000, >100000, 1000000, and any other integer or real number greater than two.
  • n 1000, i.e., a factor of one thousandth.
  • a tissue section or a cell culture can be used as sample material.
  • the sample material on the sample carrier can comprise a tissue section, which is provided, for example, from a frozen block or as an FFPE (formalin fixed paraffin embedded)-prepared block, in particular using microtomy.
  • the tissue section can be cut to a thickness of approximately 7-20 micrometers, whereby subsequent drying of the moist tissue can make the final preparation significantly thinner.
  • the sample material can also comprise a field or a plurality of individual or spot preparations on the sample carrier, e.g., a field or a multitude of individual cells.
  • a single or spot preparation can, in particular, comprise a dried spot of liquid or reagent containing sample material, e.g., in the form of cells or analyte molecules. It is also possible to provide individual cells on the sample carrier as sample material. The individual cells can be cultured or grown directly on the sample carrier. Individual cells can, for example, belong to prokaryotes (e.g., human, animal, plant, protist cells, or fungal cells) or eukaryotes (e.g., bacterial or archaeal cells).
  • prokaryotes e.g., human, animal, plant, protist cells, or fungal cells
  • eukaryotes e.g., bacterial or archaeal cells
  • the sample carrier can be plate-shaped.
  • the sample carrier can have the dimensions of a conventional microtitration plate, e.g., 127.71 millimeters long, 85.43 millimeters wide, and 14.10 millimeters thick.
  • the material of the sample carrier can be conductive.
  • it can comprise a glass, ceramic, or plastic substrate with a conductive coating on a surface supporting the sample material. Indium tin oxide-coated glass slides are examples.
  • the partial electrical conductivity of the sample carrier allows the generation of an electrical reference potential, which is particularly useful when handling the ions formed during ablation events.
  • the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data can originate from at least one extrinsic fluorescent substance, e.g., Hoechst 33342, DAPI, or Calcein Blue, which is added to the sample material prior to acquiring the ion spectrometric data, the fluorescence response data, and the fluorescence image data.
  • extrinsic fluorescent substance e.g., Hoechst 33342, DAPI, or Calcein Blue
  • the fluorescent substance exhibits good excitation properties in the ultraviolet spectral range, particularly to be compatible with UV-MALDI, e.g., between 300 and 400 nanometers, and especially between 330 and 360 nanometers, and upon excitation, emits fluorescent light in a wavelength range shifted to lower energies, such as the visible wavelength range, e.g., between 400 and 800 nanometers, especially between 450 and 650 nanometers.
  • the fluorescent dye Hoechst33342 has several advantageous properties. It is specific for DNA (deoxyribonucleic acid) because it binds preferentially to adenine-thymine (AT) regions of DNA. This enables specific staining of cell nuclei in living or fixed cells and tissues. Its fluorescence properties ensure that it is excited by UV light and emits light in the spectrum from blue to cyan. This enables the visualization of DNA using fluorescence spectroscopic or microscopic means. Hoechst33342 is also compatible with antibodies and other probes that labeled with fluorescein and rhodamine dyes. This allows for the simultaneous visualization of DNA and specific cellular targets.
  • An advantageous property of DAPI is that its bleaching can be delayed by the use of so-called anti-fading agents, which extends the light-optical observation time, e.g., when acquiring high-resolution fluorescence image data.
  • the energy bursts can be triggered by a pulsed laser, which, for example, emits laser pulses in the ultraviolet spectral range.
  • the clock rate of a pulse train can be in the range of a few Hertz, e.g., 1-20 pulses per second, up to 10 3 or 10 4 Hertz.
  • the laser pulses can be incident locally on the sample material in reflected light or transmitted light. Irradiation in reflected light allows the use of opaque sample carriers and the analysis of thick sample material.
  • Irradiation in transmitted light allows the ion generation region to be designed largely free of light-optical components for detecting a fluorescence response, and the focusing of the laser spot to be adjusted to diameters in the low, e.g., single-digit, micrometer range.
  • the sample material can be prepared prior to step (a) with a matrix substance suitable for matrix-assisted ionization, in particular matrix-assisted laser desorption and ionization (MALDI).
  • a matrix substance suitable for matrix-assisted ionization in particular matrix-assisted laser desorption and ionization (MALDI).
  • MALDI matrix substances are 2,5-dihydroxyacetophenone (DHAP), 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), ⁇ -cyano-4-hydroxycinnamic acid (HCCA), or sinapic acid (SA).
  • DHAP 2,5-dihydroxyacetophenone
  • DHB 2,5-dihydroxybenzoic acid
  • HCCA ⁇ -cyano-4-hydroxycinnamic acid
  • SA sinapic acid
  • the matrix substance can be applied before step (b), e.g., if the acquisition of the ion spectrometric data, the fluorescence response data, and the fluorescence image data takes place in the same clamping of the sample carrier and/or in the same sample well, or between step (b) and step (a).
  • the fluorescence response can comprise fluorescent light emission from the at least one fluorescing substance, which is detected light-optically, e.g., using a microscope.
  • a microscope is preferably coupled to or integrated into the ion generation region, e.g., a MALDI source.
  • the fluorescent light emission can be detected light-optically in the form of a broadband spectrum or narrowband wavelength-Z frequency range, e.g., after filtering. Covering an extended wavelength range provides greater sensitivity to changes in the fluorescence response.
  • a narrowband range in turn, has the advantage that light-optical assemblies used for collecting and detecting fluorescent light can be optimized for reception of this wavelength. It also enables sharper discrimination against energy bursts for excitation of the fluorescence response, as well as against any intrinsic fluorescence emission that can occur in some matrix substances upon laser irradiation.
  • a narrowband range AA Amax - Amin can be selected from the group comprising or consisting of: 5 nanometers, 10 nanometers, 20 nanometers, 30 nanometers, 40 nanometers, 50 nanometers, and any other suitable range between 5 and 50 nanometers.
  • the ion spectrometric data may include a third spatial frequency distribution of at least one molecule of interest in the sample material, in particular selected from the group comprising or consisting of: proteins, peptides, lipids, saccharides, nucleotides, metabolites, biopolymers.
  • the third spatial frequency distribution may take the form of an ion distribution map that represents the intensity or abundance of an analyte molecule from the sample material across the sample material.
  • distribution maps can be created for a variety of analyte molecules in the sample material. The distribution maps allow, for example, the investigation of physiological, biological, and/or metabolic processes in the sample material.
  • the second spatial resolution of the fluorescence image data and the first spatial resolution of the fluorescence response data can be adjusted to each other for the purpose of matching and aligning, e.g., by downscaling the second spatial resolution.
  • the image data from different image elements or pixels can be adjusted by summing the wavelength-resolved and fluorescence-specific intensity information in surface areas of the fluorescence image data. corresponding to a picture element or pixel of the fluorescence response data, optionally using mathematical operators applying interpolation, extrapolation and/or regression.
  • a result of the alignment and aligning can be used to spatially co-register the ion spectrometric data and the fluorescence image data, e.g., using a transformation matrix, polynomial fitting, or a vector field.
  • Images from different modalities e.g., a light-optical or microscopic image of fluorescent light and an ion distribution map, can be computationally merged (image fusion), thus providing more information about the sample material than an image or map from a single modality could. Examples of this can be found in the applicant's patent publication DE 10 2008 023 438 A1 and in the study by Raf Van de Pias et al. (Nature Methods, Vol. 12 No. 4, April 2015, pp. 366-372).
  • the spatially resolved fluorescence response data can be acquired in reflected light from and/or transmitted light through the sample carrier. Acquisition in reflected light allows the use of opaque sample carrier holders and the examination of thick sample material. Acquisition in transmitted light keeps the ion generation region free of light-optical assemblies for collecting and guiding fluorescent light and enables optical observation with a high numerical aperture and along an observation axis oriented perpendicular to the sample carrier, thus allowing observation of the fluorescence response with fewer geometric influences.
  • the invention relates to a system for analyzing sample material arranged on a sample carrier and comprising at least one fluorescence-capable substance, comprising: - an ion analyzer arranged and designed to acquire spatially resolved, ion spectrometric data from the sample material; - a fluorescence response receiver arranged and designed to acquire spatially resolved fluorescence response data from the sample material; - a fluorescence image receiver arranged and designed to acquire spatially highly resolved fluorescence image data from the sample material; and - a processing device which is in data communication with the ion analyzer, fluorescence response receiver and fluorescence image receiver and is arranged and programmed to carry out a method as described above.
  • the ion analyzer may comprise a mass analyzer, a mobility analyzer, or a combined mobility-mass analyzer.
  • Mass analysis may be the final analytical step to which the ionized sample material is subjected.
  • Ion-conducting intermediate stages for example, high-frequency voltage ion conductors such as rod multipoles, ring-stack ion conductors, or even RF funnel arrangements, may be arranged upstream of the actual mass analyzer or the multiple analyzers connected in series, and also in various sections between such analyzers connected in series. Likewise, different analyzers and intermediate stages may be operated at different vacuum levels.
  • a mass analyzer separates charged molecules or molecular ions according to their mass-to-charge ratio m/z.
  • Time-of-flight analyzers can be used, which can be linear or reflector-type and/or those with axial or orthogonal acceleration into the path of flight.
  • Other types of mass-dispersive analyzers can also be used, e.g., quadrupole mass filters (single quads), triple quadrupole analyzers ("triple quads”), ion cyclotron resonance (ICR) cells, Kingdon-type analyzers such as the Orbitrap® (Thermo Fisher Scientific), and others.
  • An ion mobility analyzer separates charged molecules or molecular ions according to their collision cross-section-to-charge ratio, sometimes referred to as Q/z or G/Z. This is based on the interaction of the ion species with an electric field that couples to the charge of the ions, with the simultaneous action of a buffer gas acting on the mean cross-sectional area of the ion.
  • Drift tube mobility analyzers with a static electric field gradient are particularly well known. These drive ions through an essentially static gas, with the drift velocity of an ion species resulting from the propulsive force of the electric field and the decelerating force of the collisions with the gas particles.
  • the fluorescence response receiver can comprise a camera, a photomultiplier, and/or a photospectrometer, which are illuminated, in particular, directly or using an optical waveguide, such as an optical fiber.
  • a flexible optical waveguide increases the options for arranging individual optical assemblies.
  • the measurement range can be restricted to the emission attributable to a fluorescent substance.
  • narrow-band optical filters can be used, which can be individually matched to the emission behavior of the respective fluorescent substance used. In this way, the proportion of the total signal that can be generated by broadband emission of a matrix substance or by autofluorescence of the sample material is significantly reduced, and the specificity of the measured fluorescence response with respect to the fluorescent substance used is increased.
  • the processing device can contain a computing unit, which in particular has one or more circuits or one or more microprocessors.
  • the processing device can serve as a control center for the operation of the communicatively connected components, e.g., by receiving data from these components, processing and outputting it, and/or deriving control commands therefrom, which in turn are sent to the communicatively connected components in order to initiate, terminate, and/or control workflows of these components.
  • the processing device can be configured centrally or decentrally. Decentralized can mean that a plurality of computing unit subunits are present, each of which is arranged close to the communicatively connected components and communicates with a central computing unit where all information converges.
  • Figure 1 schematically illustrates an embodiment of a method and system according to principles of the present disclosure operating in reflected light.
  • Figure 2 schematically illustrates an embodiment of a method and system according to principles of the present disclosure, operating partly in incident light and partly in transmitted light.
  • Figure 3 schematically illustrates a process of comparing and aligning measurement data of the same modality acquired at different spatial resolutions, according to principles of the present disclosure.
  • Figure 4 shows measurement data of a fluorescence modality acquired at different spatial resolutions and measurement data of an ion spectrometric modality whose spatial coordinates and spatial resolution match one of the fluorescence modalities.
  • FIG. 1 schematically shows an ion source 2 in which, by applying energy bursts 4 to a sample material (not shown) deposited on a sample carrier 6, molecules are locally removed from the sample material, transferred into the gas phase, and ionized (schematically at arrow 8).
  • the energy burst 4 can be a pulsed laser beam and, for example, comprise laser light with a wavelength from the ultraviolet spectral range, e.g., 337 nanometers or 355 nanometers.
  • the pulsed laser beam is incident on the sample material in reflected light.
  • the sample carrier 6 can be a flat indium tin oxide-coated glass slide.
  • the sample material can comprise individual cells, which are, for example, grown on the sample carrier or applied to it after cultivation, or a composite of cells, as in a tissue section.
  • the sample material may be prepared with a matrix substance to facilitate the absorption of an energy burst and promote gentle ionization.
  • the sample material and sample carrier 6 can be kept in a negative pressure range.
  • a typical pressure applicable for example for vacuum MALDI, is substantially greater than a high vacuum (>10' 3 hectopascals) and less than about 10 2 hectopascals ( ⁇ atmospheric pressure), e.g., 0.1-10 hectopascals.
  • Material removal can be further supplemented by post-desorption ionization, for example by the MALDI-2 method, see the work of Jens Soltwisch et al. (Science, 10 April 2015 • Vol 348 Issue 6231, 211-215).
  • the locally ablated and ionized sample material is guided using electromagnetic fields and, if necessary, assisted by the flow of an inert gas such as molecular nitrogen and transferred to an ion processing device, ultimately comprising a mass analyzer.
  • an extraction electrode 10 which is located opposite the point of impact of the pulsed laser beam on the sample material, the sample carrier 6 and the sample material deposited thereon can be spatially aligned with this extraction electrode 10 by an actuator coupled to the sample carrier 6 (not shown), e.g., a translation stage.
  • the sample material on the sample carrier 6 comprises a substance capable of fluorescence; for example, the sample material can be treated with an extrinsic fluorescent dye before measurement.
  • the fluorescent dye can, for example, have good excitation properties in a wavelength range that corresponds to a preferred excitation wavelength of a matrix substance for matrix-assisted ionization, particularly preferably in the MALDI format, with which the sample material has been prepared. This excitation wavelength range can, for example, be between 300 and 400 nanometers, in particular between 330 and 360 nanometers.
  • the fluorescent dye can bind preferentially to certain molecules of the sample material, while being less sensitive to other molecules of the sample material.
  • the fluorescent dye can preferentially attach to certain features of a cell, e.g., the cell walls or the cell nucleus, while exhibiting little tendency to bind to surrounding parts of the cell.
  • the application of the fluorescent dye results in a high-contrast or contrast-variable frequency distribution across the sample material, which can be used for precise co-registration in the further course of the procedure.
  • this comprehensive distribution of at least one fluorescent substance across the entire sample material as it can be ensured that all surface areas of the sample material have enough support points or anchor points for efficient execution of mathematical operations of spatial mapping.
  • an energy burst 4 simultaneously excites a local fluorescence response in the sample material.
  • This fluorescence response can manifest itself in the emission of fluorescent light (schematically shown at 16).
  • the fluorescent light will usually have lower energy than the light used for excitation, i.e., a lower frequency and longer wavelength.
  • the fluorescent light can be emitted in the visible spectral range.
  • the fluorescent light can, in principle, be emitted in all directions.
  • a sample carrier for simultaneous ion spectrometric analysis there are basically two ways to detect fluorescent light: in reflected light or in transmitted light (in transmission). The latter, of course, only if a correspondingly transparent and translucent sample carrier is used, for example, an indium-tin oxide glass slide.
  • Figure 1 schematically illustrates detection in reflected light.
  • the detection axis for the fluorescent light can also be at an angle to the surface normal and, for example, substantially diametrically opposite the incidence axis of the pulsed laser beam.
  • a collimating lens 18 or a corresponding lens system can be located along the detection axis, which parallelizes the light entering the optical aperture.
  • a filter 20 can remove light components that are not necessary for detecting the fluorescent light from the beam path. For example, light components from the excitation light of the pulsed laser that are reflected from the surface of the sample material can be filtered out. In the case of a pulsed UV laser, for example, a long-pass filter can be used because the fluorescent light components have a substantially lower frequency and longer wavelength.
  • a further filter 22 can be arranged along the detection axis, which allows an optional light-optical observation of the processes on the sample material on the sample carrier 6 in real time.
  • the further filter 22 can be designed as a bandpass filter, which deflects a portion of the fluorescent light to a photon receiver 24 for recording the fluorescent light response and a further portion via an imaging lens 26 or a corresponding lens system passes through to a camera 28, whose captured image data can be displayed, for example, on a screen for monitoring and process control.
  • the dashed outlines indicate that real-time monitoring by a camera 28 is optional.
  • an optional narrowband filter 30 which can be very precisely designed for a fluorescent light wavelength and, if necessary, filters out interfering residual light components
  • an imaging lens 32 which focuses the incident parallel light beam onto the photon receiver 24, or a corresponding lens system, as well as an optional pinhole 34 for noise reduction
  • the photon receiver 24 can have a camera, a photomultiplier, or a photospectrometer; the latter, of course, only makes sense if optical components in the previous beam path are not designed for an excessively narrowband narrowing of the transmitted wavelength or frequency range.
  • a photomultiplier or a photospectrometer can each be illuminated directly or via an intermediate optical waveguide (not shown), e.g., an optical fiber.
  • a flexible optical fiber increases the options for how the individual optical components can be arranged.
  • the position coordinates and spatial resolution of the acquired fluorescent light data correspond to the position coordinates and spatial resolution of the ion spectrometric analysis data and are essentially determined by the dimension of the impact area of the energy burst, e.g. the diameter of the light spot of a pulsed UV laser, and optionally by the spatial summary of the molecular information from the sample material in image elements or pixels, which are often added together to improve the signal-to-noise ratio of adjacent impact areas on the sample material, e.g. in imaging MALDI mass analysis.
  • the sample material is separately subjected to a high-resolution fluorescence analysis (schematically at arrow 36), which preferably takes place before the ion spectrometric analysis, but can in principle also take place after this, provided that the sample material and the at least one fluorescence-capable substance on the sample material have not yet been consumed or rendered unusable by the ion spectrometric analysis. are made.
  • a high-resolution fluorescence analysis (schematically at arrow 36), which preferably takes place before the ion spectrometric analysis, but can in principle also take place after this, provided that the sample material and the at least one fluorescence-capable substance on the sample material have not yet been consumed or rendered unusable by the ion spectrometric analysis. are made.
  • Spatial resolutions of high-resolution fluorescence image data can be in a range of nanometers selected from the group comprising or consisting of: ⁇ 1000 nanometers, ⁇ 500 nanometers, ⁇ 300 nanometers, ⁇ 100 nanometers, ⁇ 50 nanometers, or below any other upper limit of 1000 nanometers.
  • An example of a high-resolution microscope is the Nikon Eclipse 90i (Nikon Instruments Inc., Melville, New York).
  • ion spectrometric data which contain molecular content information and molecular distribution information from the image elements or pixels on the sample material
  • fluorescence response data which were acquired substantially simultaneously with the ion spectrometric data on the same spatial grid and contain information about the frequency distribution of at least one fluorescent substance on the sample material
  • high-resolution fluorescence image data which contain distribution information of the at least one fluorescent substance with a substantially higher spatial resolution and optionally acquired on a different spatial grid.
  • the fluorescence response data acquired simultaneously with the ion spectrometric data form a suitable link between the ion spectrometric data and the high-resolution fluorescence image data, which allow a higher data quality when combining the different modalities: they were in each case acquired in the same clamping of the sample carrier and therefore intrinsically have the same position coordinates as the ion spectrometric data; they contain the frequency distribution of the at least one fluorescent substance, e.g. fluorescent light intensity in a narrow-band wavelength range per image element or pixel, which corresponds to the frequency distribution of the same at least one fluorescent substance in the high-resolution Fluorescence image data generated with the high-resolution fluorescence image receiver must match.
  • the at least one fluorescent substance e.g. fluorescent light intensity in a narrow-band wavelength range per image element or pixel
  • Figure 2 illustrates an embodiment very similar to that shown in Figure 1. Therefore, only the differences from the first embodiment in Figure 1 will be discussed below.
  • the same reference numerals identify the same components in both figures.
  • the essential difference is that fluorescent light, which is emitted in response to the local excitation of the sample material by an energy burst 4, is not detected in reflected light, but in transmitted light through a suitably transparent and translucent sample carrier 6.
  • This embodiment has the advantage that the area of the ion source, in which sample material removal, ion generation, and ion extraction take place, can be kept free of optical components required for detecting the fluorescence response.
  • the transmitted-light embodiment allows observation with a high numerical aperture and along an axis that is substantially perpendicular to the extent of the sample carrier 6 and therefore experiences less geometric distortion.
  • Figure 3 illustrates how fluorescence response data acquired simultaneously with an ion spectrometric measurement of the sample material and having a comparatively low spatial (lateral) resolution (in the figure on the right) can be co-registered with high-resolution fluorescence image data acquired separately from the same sample material using a different instrument with its own sample well (in the figure on the left) in an xy plane that is parallel to the sample support surface carrying the sample material.
  • the different spatial resolution is indicated in the two grids by different image element or pixel sizes.
  • the different clamping for the measurements can also lead to effects that amount to distortion and are therefore indicated accordingly in the figure.
  • An algorithm for comparing and aligning the different images of the same modality can aim to overlay the two frequency distributions of the at least one fluorescent substance with the greatest possible agreement.
  • a transformation can be created that results from the application of various mathematical operations such as stretching, compressing, and/or rotating. These mathematical operations can be applied uniformly across the entire image data and response data (affine), or they can be calculated area-by-area segment or area-by-area segment (elastic) to achieve the best possible match between the frequency distributions of the at least one fluorescent substance.
  • affine transformations include operations such as rotation, scaling, shearing, compression, or translation, and combinations of these operations.
  • Affine transformations can be represented by a transformation matrix.
  • Elastic transformations also allow for the compensation of distortions and deformations.
  • the thin plate spline-Mo is an example of an elastic transformation.
  • Elastic transformations generally cannot be represented by a transformation matrix, but are solved using polynomial fits or vector fields.
  • the different spatial resolutions of the spatially resolved fluorescence response data and the high-resolution fluorescence image data are adjusted to each other. This can be achieved by mapping the high-resolution image data to the lower spatial resolution of the response data, e.g., by combining Image information from individual picture elements or pixels, possibly supported by mathematical operations that apply interpolation, extrapolation and/or regression.
  • FIG. 4 shows the results of an example measurement.
  • the measurement was performed using a mass spectrometer whose setup corresponds to that described in the work by Marcel Niehaus et al. (Nature Methods 2019, 16, 925-931, Transmission-mode MALDI-2 mass spectrometry imaging of cells and tissues at subcellular resolution).
  • the lateral spatial resolution of the mass spectrometric measurement was 5 micrometers pixel size.
  • No MALDI-2 post-ionization was performed.
  • the sample material was a mouse cerebellum section, and DHAP was used as the matrix substance.
  • the sample material was stained with matrix substance using Hoechst 33342 fluorescent dye (bound to cell nuclei, UV excitation, emission maximum at 455 nanometers) and Green Actin Tracker (bound to actin filaments, excitation at 503 nanometers, emission at 512 nanometers).
  • High-resolution fluorescence images were then acquired using a slide scanner in a first clamping position of the sample carrier (referred to as external, high-resolution fluorescence microscopy in Figure 4 on the left).
  • the data are sorted into two channels: the fluorescence data from Hoechst 33342 (fluorescence channel 1) and the fluorescence data from the Green Actin Tracker (fluorescence channel 2).
  • the matrix substance was then applied by (re-)sublimation, and the MALDI-MSI measurement was performed in a second clamping position of the sample carrier.
  • the signal on the far right referred to as "MALDI-accompanying fluorescence," represents the signal intensity of the fluorescence response of Hoechst33342 during the MALDI process between 450 and 460 nanometers. For clarity, this signal has been normalized to the total fluorescence intensity at this pixel (equivalent to a total ion count (TIC) normalization).
  • TIC total ion count
  • the transformation that maps the position coordinates of the ion spectrometric data to those of the high-resolution fluorescence image data can of course also be applied to images generated with other fluorescence-capable substances Apply fluorescence image data acquired simultaneously with the data from the fluorescence images used to calculate the transformation.
  • fluorescence channel 2 Green Actin Tracker
  • the ion spectrometric data can be compared and aligned with one another and, in particular, co-registered with fluorescence image data of a number of fluorescence-capable substances, mediated by the simultaneously acquired fluorescence response data, which is selected from the group comprising or consisting of: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, or any other suitable integer between 1 and 20.

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Abstract

The invention relates to methods and systems for detecting spatially resolved measurement data of different modalities, said data relating to a sample material which is provided on a sample support, in particular to the partly simultaneous detection of such measurement data, said methods and systems specifically facilitating and improving the co-registration of measurement data of different modalities, i.e. the spatial arrangement and alignment thereof in the same coordinate system. The methods and systems according to the invention can be advantageously applied to the area of ion spectrometry imaging, e.g. time-of-flight mass analysis imaging of tissue sections, in particular using matrix-assisted ionization and also in particular ionization with matrix-assisted laser desorption (matrix-assisted laser desorption and ionization, MALDI).

Description

Verfahren und System zum Analysieren von Probenmaterial Method and system for analyzing sample material

Gebiet der Erfindung Field of the invention

[0001] Die Offenbarung betrifft Verfahren und Systeme zum Erfassen von räumlich aufgelösten Messdaten unterschiedlicher Modalitäten von Probenmaterial, das auf einem Probenträger angeordnet ist, insbesondere die teilweise gleichzeitige Erfassung solcher Messdaten, und erleichtert sowie verbessert speziell die Co-Registrierung der Messdaten der verschiedenen Modalitäten, d.h. deren räumliche Anordnung und Ausrichtung im gleichen Koordinatensystem. Vorteilhafte Anwendungen können die Verfahren und Systeme gemäß der Offenbarung in der bildgebenden lonenspektrometrie finden, z.B. der bildgebenden Flugzeit-Massenana- lyse von Gewebe schnitten, insbesondere unter Verwendung von Matrix-unterstützter Ionisierung und ferner insbesondere Ionisierung mit Matrix-unterstützter Laserdesorption (matrix assisted laser desorption and ionization, MALDI). [0001] The disclosure relates to methods and systems for acquiring spatially resolved measurement data from different modalities of sample material arranged on a sample carrier, in particular the partially simultaneous acquisition of such measurement data, and specifically facilitates and improves the co-registration of the measurement data from the different modalities, i.e., their spatial arrangement and alignment in the same coordinate system. The methods and systems according to the disclosure can find advantageous applications in imaging ion spectrometry, e.g., imaging time-of-flight mass analysis of tissue sections, in particular using matrix-assisted ionization and, furthermore, in particular, ionization with matrix-assisted laser desorption (matrix-assisted laser desorption and ionization, MALDI).

Hintergrund der Erfindung Background of the invention

[0002] Der Stand der Technik wird im Folgenden mit Bezug auf einen speziellen Aspekt erläutert. Dies soll jedoch nicht als Einschränkung verstanden werden. Nützliche Fortentwicklungen und Änderungen vom aus dem Stand der Technik Bekannten können auch über den vergleichsweise engen Rahmen dieser Einleitung hinaus anwendbar sein und werden sich geübten Praktikern auf diesem Gebiet nach der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung umstandslos erschließen. [0002] The prior art is explained below with reference to a specific aspect. However, this should not be understood as a limitation. Useful developments and modifications of what is known from the prior art may also be applicable beyond the comparatively narrow scope of this introduction and will be readily apparent to experienced practitioners in this field after reading the following disclosure.

[0003] Die bildgebende Massenspektrometrie (mass spectrometry imaging, MSI) unter Verwendung von Ionisierung mit Matrix-unterstützter Laserdesorption stellt ein schnell wachsendes technisches Gebiet zur räumlichen Darstellung von Molekülverteilungen dar, z.B. in Gewebeschnitten und Zellkulturen. Für die korrelative Analyse zusammen mit anderen bildgebenden Verfahren wie der Lichtmikroskopie bedarf es einer möglichst genauen Co-Registrie- rung der eingesetzten Modalitäten. Nach gegenwärtigem Stand der Technik wird diese Co- Registrierung durch unabhängig voneinander aufgenommene Bilder realisiert. Auf der Mikrometerebene weisen diese Verfahren dadurch in der Regel signifikante Ungenauigkeiten auf. [0003] Mass spectrometry imaging (MSI) using matrix-assisted laser desorption ionization represents a rapidly growing technical field for the spatial representation of molecular distributions, e.g., in tissue sections and cell cultures. For correlative analysis together with other imaging techniques such as light microscopy, the most accurate co-registration of the modalities used is required. According to the current state of the art, this co-registration is achieved by independently acquired images. As a result, these methods generally exhibit significant inaccuracies at the micrometer level.

[0004] Zur Kopplung von Fluoreszenzmikroskopie als besonderer Ausführung der Lichtmikroskopie und MALDI-MSI werden zurzeit unabhängig voneinander aufgenommene Messungen verwendet. Im Normalfall finden diese Messungen mit zwei vollständig unabhängigen Geräten statt. Dafür kann die Mikroskopie vor, nach, oder vor und nach der MALDI-MSI- Messung stattfinden. Für die Co-Registrierung der optischen und Massenspektrometrie-ba- sierten Bildgebung wird eine Transformations definiert, die beide Modalitäten anhand einer vorher definierten Metrik zusammenfügt (siehe Referenz 1). Dazu können insbesondere auch die Abtragkrater im Probenmaterial, die bei der MALDI-MSI-Messung entstehen, verwendet werden (siehe Referenz 2). In speziellen Anwendungen können die beiden Modalitäten mit technisch verknüpften, aber getrennten Geräten (siehe Referenz 3) oder teilweise unter Nutzung der gleichen Gerätschaft aufgezeichnet werden (siehe Referenz 4). Hier erfolgt die Co- Registrierung über die genaue Kenntnis des Messortes beider Modalitäten, die konstruktionsseitig übereinstimmen können. Im Rahmen anderer Untersuchungen wurde ionisierungsbegleitende Fluoreszenz für die Aufklärung des MALDI-Prozesses (siehe Referenz 5) und für die Bestimmung von Laserfleckgrößen auf dem Probenmaterial (siehe Referenz 6) verwendet. [0004] Currently, independent measurements are used to couple fluorescence microscopy, a special form of light microscopy, with MALDI-MSI. Normally, these measurements are performed with two completely independent devices. For this purpose, microscopy can take place before, after, or before and after the MALDI-MSI measurement. For the co-registration of optical and mass spectrometry-based imaging, a transformation is defined that combines both modalities using a previously defined metric (see Reference 1). For this purpose, the ablation craters in the sample material that arise during the MALDI-MSI measurement can be used (see Reference 2). In special applications, the two modalities can be recorded with technically linked but separate devices (see Reference 3) or partially using the same device (see Reference 4). Here, co-registration is achieved using precise knowledge of the measurement location of both modalities, which can be identical in design. In other studies, ionization-accompanying fluorescence was used to elucidate the MALDI process (see Reference 5) and to determine laser spot sizes on the sample material (see Reference 6).

[0005] Literaturreferenzen : [0005] Literature references:

[0006] (1) Balluff, B.; Heeren, R. M. A.; Race, A. M.: An Overview of Image Registration for Aligning Mass Spectrometry Imaging with Clinically Relevant Imaging Modalities. J. Mass Spectrom. Adv. Clin. Lab 2022, 23, 26-38. https://doi.org/10.1016/j.jmsacl.202L 12,006. [0006] (1) Balluff, B.; Heeren, R.M.A.; Race, A. M.: An Overview of Image Registration for Aligning Mass Spectrometry Imaging with Clinically Relevant Imaging Modalities. J. Mass Spectrom. Adv. Clin. Lab 2022, 23, 26-38. https://doi.org/10.1016/j.jmsacl.202L 12,006.

[0007] (2) Patterson, N. H.; Tuck, M.; Van de Pias, R.; Caprioli, R. M.: Advanced Registration and Analysis of MALDI Imaging Mass Spectrometry Measurements through Autofluorescence Microscopy . Anal. Chem. 2018, 90 (21), 12395-12403. http s : //doi . or g/10.1021 /acs . anal chem , 8 b 02884. [0007] (2) Patterson, N.H.; Tuck, M.; Van de Pias, R.; Caprioli, R. M.: Advanced Registration and Analysis of MALDI Imaging Mass Spectrometry Measurements through Autofluorescence Microscopy. Anal. Chem. 2018, 90 (21), 12395-12403. http s: //doi. or g/10.1021 /acs . anal chem, 8 b 02884.

[0008] (3) Shimma, S.; Kumada, H.-O.; Taniguchi, H.; Konno, A.; Yao, I.; Furuta, K.; [0008] (3) Shimma, S.; Kumada, H.-O.; Taniguchi, H.; Konno, A.; Yao, I.; Furuta, K.;

Matsuda, T.; Ito, S.: Microscopic Visualization of Testosterone in Mouse Testis by Use of Imaging Mass Spectrometry . Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408 (27), 7607-7615. htt s://d0i.0rg/T 0, 1007/s00216-016-9594-9. Matsuda, T.; Ito, S.: Microscopic Visualization of Testosterone in Mouse Testis by Use of Imaging Mass Spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408 (27), 7607-7615. htt s://d0i.0rg/T 0, 1007/s00216-016-9594-9.

[0009] (4) Soltwisch, J.; Potthoff, A.; Schwenzfeier, J.; Bien, T.; Niehaus, M.; Dreisew- erd, K. : Transmission-Mode MALDI -2 Ion Source for Online Co-Registration of MS and Optical Images with Sub-Micrometer Precision,' Uppsala, Sweden, 2023; Regional Mass Spectrometry Imaging Spring Workshop 2023. [0010] (5) Jaskolla, T. W.; Karas, M.: Using Fluorescence Dyes as a Tool for Analyzing the MALDI Process. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2008, 19 (8), 1054-1061. http s : //doi . org/ 10, 1016/j . j asms .2008.04.032. [0009] (4) Soltwisch, J.; Potthoff, A.; Schwenzfest, J.; Bien, T.; Niehaus, M.; Dreisewerd, K. : Transmission-Mode MALDI -2 Ion Source for Online Co-Registration of MS and Optical Images with Sub-Micrometer Precision,' Uppsala, Sweden, 2023; Regional Mass Spectrometry Imaging Spring Workshop 2023. [0010] (5) Jaskolla, TW; Karas, M.: Using Fluorescence Dyes as a Tool for Analyzing the MALDI Process. J.Am. Soc. Mass Spectrom. 2008, 19 (8), 1054-1061. http s: //doi. org/ 10, 1016/j . j asms .2008.04.032.

[0011] (6) Steven, R. T.; Palmer, A. D.; Bunch, J.: Fluorometric Beam Profiling of UV MALDI Lasers. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2013, 24 (7), 1146-1152. https://doi.org/10.1007/sl3361-013-0650-9. [0011] (6) Steven, R.T.; Palmer, A.D.; Bunch, J.: Fluorometric Beam Profiling of UV MALDI Lasers. J.Am. Soc. Mass Spectrom. 2013, 24 (7), 1146-1152. https://doi.org/10.1007/sl3361-013-0650-9.

[0012] Die Patentveröffentlichung WO 2023/205280 Al beschreibt Verfahren zur Verstärkung der Fluoreszenzintensität einer Probe durch Anwendung einer aromatischen Verbindung. Es werden auch Arbeitsabläufe für ein kombiniertes Fluoreszenz-MALDI- Mikroskopie/Bildgebungsinstrument beschrieben, bei denen MALDI-Bildgebung und Fluoreszenz -Bildgebung derselben Probe in einem Probenvorbereitungsschritt kombiniert werden. Der beschriebene Arbeitsablauf soll die Probenahmezeit auf einen Arbeitstag reduzieren und die Probenverschlechterung minimieren. Im wissenschaftlichen Schrifttum wird die technische Lehre der Patentveröffentlichung von den Wissenschaftlern „FluoMALDI“ genannt. [0012] Patent publication WO 2023/205280 A1 describes methods for enhancing the fluorescence intensity of a sample by applying an aromatic compound. Workflows for a combined fluorescence MALDI microscopy/imaging instrument are also described, combining MALDI imaging and fluorescence imaging of the same sample in a single sample preparation step. The described workflow is intended to reduce sampling time to one working day and minimize sample degradation. In the scientific literature, the technical teaching of the patent publication is referred to by the scientists as "FluoMALDI."

[0013] Der Stand der Technik in Standardanwendungen benötigt die Aufnahme von mehreren Mikroskopiebildem, ist damit aufwändig in der Durchführung und führt zu einer relativ hohen Varianz in der Co-Registrierung von optischen und lonenspektrometrie-basierten Bildern. Strategien zur Verknüpfung der Maschinenkomponenten für eine direkte Verbindung der Modalitäten sind aufwändig und lassen sich nicht an allen Geräten und nur unter hohem technischem Aufwand realisieren. [0013] The state of the art in standard applications requires the acquisition of multiple microscopy images, which is complex to implement and leads to a relatively high variance in the co-registration of optical and ion spectrometry-based images. Strategies for linking the machine components for a direct connection of the modalities are complex and cannot be implemented on all devices and only with considerable technical effort.

[0014] Der Posterbeitrag von Alexander Fengier et al. zur 54. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS), abgehalten vom 14.-17. Mai 2023 in Dortmund, mit dem Titel "Duo-modal mass spectrometric and emission spectroscopic recordings of 2,5-dihydroxybenzoic acid on cerebellar tissue“ referiert zur parallelen Messung massen- spektrometri scher und Fluoreszenz-spektroskopischer Daten von Gehimgewebe, insbesondere um die räumliche Verteilung von m/z-Massensignalen mit Fluoreszenzdaten vom Gewebe zu vergleichen. Diese Arbeit ist nach Kenntnisstand der Erfinder die erste, die eine Fluoreszenzantwort, die während des lonisierungsprozesses entsteht, für die konfokale Mikroskopie einsetzt. [0014] The poster contribution by Alexander Fengier et al. to the 54th Annual Meeting of the German Society for Mass Spectrometry (DGMS), held from May 14-17, 2023 in Dortmund, entitled "Duo-modal mass spectrometric and emission spectroscopic recordings of 2,5-dihydroxybenzoic acid on cerebellar tissue," reports on the parallel measurement of mass spectrometric and fluorescence spectroscopic data from brain tissue, in particular to compare the spatial distribution of m/z mass signals with fluorescence data from the tissue. To the best of the inventors' knowledge, this work is the first to use a fluorescence response generated during the ionization process for confocal microscopy.

[0015] Angesichts der vorstehenden Ausführungen besteht ein Bedarf, die Verknüpfung einer ionenspektrometrischen Modalität mit einer hochauflösenden Fluoreszenz-basierten Modalität in der bildgebenden Analyse von Probenmaterial zu verbessern, insbesondere wenn diese Messungen in unterschiedlichen Probenschächten bei unterschiedlichen Einspannungen des Probenträgers durchgeführt werden. Weitere von der Erfindung zu lösende Aufgaben ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres bei der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung. [0015] In view of the above, there is a need to combine an ion spectrometric modality with a high-resolution fluorescence-based Modality in the imaging analysis of sample material, especially when these measurements are performed in different sample wells with different sample carrier clampings. Further problems to be solved by the invention will become readily apparent to those skilled in the art upon reading the following disclosure.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

[0016] Die Erfindung ermöglicht die gleichzeitige und räumlich identische oder co-lokali- sierte Aufnahme von Fluoreszenzantwortdaten, z.B. fluoreszenzspektroskopischen Daten, die beim gepulsten Materi al ab trag für die ionenspektrometrische Analyse eines jeden untersuchten Pixels oder Bildelements generiert werden, z.B. unter Verwendung von MALDI. Insbesondere kann dies die orts- und zeitgleiche Aufnahme von konfokalen hyperspektralen Fluo- reszenzantwortbildem und einer MALDI-MSI-Messung beinhalten. [0016] The invention enables the simultaneous and spatially identical or co-localized acquisition of fluorescence response data, e.g., fluorescence spectroscopic data generated during pulsed material ablation for the ion spectrometric analysis of each pixel or image element under investigation, e.g., using MALDI. In particular, this may include the spatially and temporally simultaneous acquisition of confocal hyperspectral fluorescence response images and a MALDI-MSI measurement.

[0017] Im hier beschriebenen Verfahren kann Fluoreszenzlicht, das durch örtliche Einwirkung von Energieschüben auf das Probenmaterial im Rahmen einer ionenspektrometrischen Analyse entsteht, z.B. als gepulstes Laserlicht während einer MALDI- Analyse, für eine Ausformung der optischen Bildgebung, die zur ionenspektrometrischen Analyse substantiell identische Ortskoordinaten als auch räumliche Auflösung aufweist, verwendet werden. Hierzu können insbesondere auch spezifische Fluoreszenzfarbstoffe zum Einsatz kommen, die sich dem Probenmaterial vor der Messung zufügen lassen. [0017] In the method described here, fluorescent light generated by the local application of energy bursts to the sample material during ion spectrometric analysis, e.g., as pulsed laser light during MALDI analysis, can be used to create optical imaging that has substantially identical spatial coordinates and spatial resolution to ion spectrometric analysis. For this purpose, specific fluorescent dyes can be used, which can be added to the sample material prior to measurement.

[0018] Die Erfindung nutzt die Fluoreszenzantwort, die orts- und zeitgebunden während einer auf den Molekülgehalt des Probenmaterials abzielenden ionenspektrometrischen Messung entsteht, z.B. einer MALDI-Ionisierung mit anschließender Flugzeit-Massenanalyse. Dabei kann an jedem bestrahlten Bildelement oder Pixel ein Fluoreszenzspektrum oder die Intensität eines definierten Wellenlängenbereichs der Emission aufgezeichnet werden, z.B. in einem sogenannten Fluoreszenzkanal. Das Einschränken auf einen begrenzten Wellenlängenbereich kann den Vorteil erbringen, dass störende Einflüsse des Anregungslichts als auch etwaige intrinsische Fluoreszenzemission einer Matrixsub stanz aus der Fluoreszenzantworterfassung entfernt oder wenigstens abgeschwächt werden. [0018] The invention utilizes the fluorescence response that arises in a spatially and temporally dependent manner during an ion spectrometric measurement aimed at the molecular content of the sample material, e.g., a MALDI ionization followed by time-of-flight mass analysis. A fluorescence spectrum or the intensity of a defined wavelength range of emission can be recorded for each irradiated image element or pixel, e.g., in a so-called fluorescence channel. Restricting the measurement to a limited wavelength range can provide the advantage of removing or at least attenuating the interference of the excitation light and any intrinsic fluorescence emission of a matrix substance from the fluorescence response detection.

[0019] Auf Basis dieser Daten können mit der ionenspektrometrischen Messung co-lokali- sierte und räumlich exakt verknüpfte konfokale hyperspektrale Bilder erzeugt werden. Der Materi al ab trag für die lonenspektrometrie, z.B. MALDI-Flugzeit-Massenspektrometrie, und die Anregung der Fluoreszenzantwort werden am gleichen Ort und durch den gleichen Energieschub initiiert, z.B. durch Laserbeschuss wie bei MALDI, und sind somit räumlich lateral und zeitlich inhärent verknüpft. Räumlich lateral bedeutet in diesem Zusammenhang die Verortung der örtlichen Beprobung des Probenmaterials in der vom Probenträger aufgespannten xy -Ebene oder einer dazu parallelen Ebene, z.B. gebildet durch einen Gewebeschnitt auf dem Probenträger. [0019] Based on these data, co-localized and spatially precisely linked confocal hyperspectral images can be generated with the ion spectrometric measurement. The material removal for ion spectrometry, e.g., MALDI time-of-flight mass spectrometry, and the excitation of the fluorescence response are performed at the same location and by the same Initiated by an energy burst, e.g., by laser irradiation as in MALDI, they are thus inherently linked both spatially and temporally. Spatially lateral in this context means the location of the local sampling of the sample material in the xy plane spanned by the sample carrier or a plane parallel to it, e.g., formed by a tissue section on the sample carrier.

[0020] Für die Erzeugung eines Fluoreszenzsignals am Probenmaterial, z.B. Gewebe oder Zellkultur, können insbesondere im Rahmen der Probenpräparation eingebrachte Fluoreszenzfarbstoffe verwendet werden, deren Anregungswellenlängenbereich mit der Wellenlänge des Energieschub-Lasers zusammenfällt oder überlappt. Für Laser, welche in der UV-MALDI verwendet werden, z.B. bei 337 Nanometer oder 355 Nanometer, bieten sich beispielsweise UV-aktive Fluoreszenzfarbstoffe wie Hoechst33342, DAPI (4', 6-Diamidin-2 -phenylindol) oder Calcein Blue an. Das während des lonisierungsprozesses generierte Fluoreszenzlicht kann entweder durch geeignete Filter aufgereinigt und detektiert oder spektroskopisch untersucht und ausgewertet werden. Die Ortskoordinaten der Bildelemente oder Pixel des so generierten konfokalen Mikroskopiebilds entsprechen exakt denen der gerasterten ionenspektro- metrischen Messung. [0020] To generate a fluorescence signal on the sample material, e.g., tissue or cell culture, fluorescent dyes can be used, particularly during sample preparation, whose excitation wavelength range coincides or overlaps with the wavelength of the energy-boosting laser. For lasers used in UV-MALDI, e.g., at 337 nanometers or 355 nanometers, UV-active fluorescent dyes such as Hoechst 33342, DAPI (4',6-diamidine-2-phenylindole), or Calcein Blue are suitable. The fluorescent light generated during the ionization process can either be purified and detected using suitable filters or examined and evaluated spectroscopically. The spatial coordinates of the image elements or pixels of the confocal microscopy image generated in this way correspond exactly to those of the scanned ion spectrometric measurement.

[0021] Es sei hier erwähnt, dass ein Bildelement oder Pixel einer bildgebenden ionenspekt- rometrischen Analyse die kleinste Flächeneinheit des Probenmaterials darstellt, deren Molekülinformation räumlich aufgelöst verzeichnet ist und dargestellt werden kann. Typische Abmessungen dieser Flächeneinheiten im Sinne des Durchmessers (z.B. bei kreisrundem Laserfleck) oder Kantenlänge (z.B. bei rechteckigem Zuschnitt) können gewählt sein aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: 1 bis 10 Mikrometer, 10 bis 100 Mikrometer, 100 bis 1000 Mikrometer, 1 bis 100 Mikrometer, 1 bis 1000 Mikrometer, 10 bis 1000 Mikrometer, oder jeden anderen geeigneten Bereich zwischen 1 und 1000 Mikrometer. Die Abmessung eines Laserflecks kann geringer als die Abmessung des Bildelements oder Pixels gewählt sein und die Molekülinformation kann von solch einem Bildelement oder Pixel erfasst werden, indem das Probenmaterial mehrmals an leicht unterschiedlichen Stellen innerhalb der Abgrenzungen des Bildelements oder Pixels mit dem gepulsten Laserstrahl beaufschlagt wird. Die Molekülinformation der einzelnen Beprobungen wird dann für das Bildelement oder den Pixel akkumuliert oder aufaddiert. Es versteht sich, dass mit einer solchen Vorgehensweise grundsätzlich Fluoreszenzantwortdaten erzeugt werden können, deren räumliches Raster engmaschiger ist als das der ionenspektrometrischen Messdaten, die die Molekülinformation mehrerer, eng benachbarter Beprobungsorte enthalten. Allerdings lassen sich auch die Fluoreszenzantwortdaten durch einfache mathematische Operationen wie Addition auf das Bildelement- oder Pixelraster der ionenspektrometrischen Messung abbilden. Es ist auch möglich, die Fluoreszenzantwortdatenerfassung selbst so auszugestalten, dass keine Daten der gleichzeitig erfassten Modalitäten in unterschiedlichen räumlichen Rastern aufgezeichnet werden. [0021] It should be noted here that an image element or pixel of an imaging ion spectrometric analysis represents the smallest area unit of the sample material whose molecular information is spatially resolved and can be displayed. Typical dimensions of these area units in terms of diameter (e.g., for a circular laser spot) or edge length (e.g., for a rectangular cut) can be selected from the group comprising or consisting of: 1 to 10 micrometers, 10 to 100 micrometers, 100 to 1000 micrometers, 1 to 100 micrometers, 1 to 1000 micrometers, 10 to 1000 micrometers, or any other suitable range between 1 and 1000 micrometers. The size of a laser spot can be selected to be smaller than the size of the image element or pixel, and the molecular information can be captured from such an image element or pixel by repeatedly exposing the sample material to the pulsed laser beam at slightly different locations within the boundaries of the image element or pixel. The molecular information of the individual samples is then accumulated or summed for the image element or pixel. It is understood that such an approach can, in principle, generate fluorescence response data with a more tightly meshed spatial grid than that of ion spectrometric measurement data, which contain the molecular information of several, closely adjacent sampling locations. However, the Fluorescence response data can be mapped to the image element or pixel grid of the ion spectrometric measurement using simple mathematical operations such as addition. It is also possible to design the fluorescence response data acquisition itself so that data from the simultaneously acquired modalities are not recorded in different spatial grids.

[0022] Die mit dem beschriebenen Aufbau generierten Bildelemente oder Pixel sind in der Regel deutlich größer, als sie mit einem modernen Fluoreszenzmikroskop erzeugt werden können. Das mit der beschriebenen Erfindung gleichzeitig mit der ionenspektrometrischen Messung erzeugte Fluoreszenzantwortbild soll deshalb vor allem als Bindeglied zwischen MSI- und hochauflösenden optischen Modalitäten dienen. Während eine Co-Registrierung von verschiedenen Modalitäten, die mit unterschiedlicher Auflösung aufgenommen werden, Fehlerfortpflanzung in erhöhtem Maße beinhaltet, ist sie bei der gleichen Aufnahmemodalität aber unterschiedlicher Bildelement- oder Pixelgröße deutlich einfacher und präziser durchführbar. Die dabei ermittelte Transformation, welche die Lagekoordinaten der verschiedenen Modalitäten zueinander in Beziehung setzt und aufeinander abbildet, kann auf Grund der beschriebenen inhärenten Kopplung direkt auch auf die MSI-Ergebnisse angewandt werden und ermöglicht so eine genaue und einfache Co-Registrierung von hochaufgelöstem Fluoreszenzbild und MSI. Die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie findet dabei in der Regel vor der Präparation des Probenmaterials mit Matrixsubstanz statt. Es ist aber auch möglich, ein hochaufgelöstes Fluoreszenzbild nach der ionenspektrometrischen Messung aufzunehmen oder zusätzlich zu einem vor der ionenspektrometrischen Messung aufgenommen hochaufgelösten Fluoreszenzbild, z.B. aus Gründen der Prozesskontrolle und/oder Qualitätssicherung. [0022] The image elements or pixels generated with the described setup are generally significantly larger than those that can be produced with a modern fluorescence microscope. The fluorescence response image generated with the described invention simultaneously with the ion spectrometric measurement is therefore primarily intended to serve as a link between MSI and high-resolution optical modalities. While co-registration of different modalities acquired at different resolutions involves a greater degree of error propagation, it can be carried out much more easily and precisely with the same acquisition modality but with different image element or pixel sizes. The resulting transformation, which relates the positional coordinates of the different modalities to one another and maps them to one another, can be directly applied to the MSI results due to the described inherent coupling, thus enabling precise and simple co-registration of the high-resolution fluorescence image and MSI. High-resolution fluorescence microscopy usually takes place before the sample material is prepared with matrix substance. However, it is also possible to acquire a high-resolution fluorescence image after the ion spectrometric measurement or in addition to a high-resolution fluorescence image acquired before the ion spectrometric measurement, e.g. for reasons of process control and/or quality assurance.

[0023] Die Messung der Intensität von Fluoreszenzlicht, entweder mit Hilfe von spezifischen Filtern oder spektroskopisch, lässt sich an den meisten bestehenden MSI-Systemen mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand nachrüsten. Die Messung erfolgt orts- und zeitgleich zur ionenspektrometrischen Messung und erfordert keine zusätzliche Messzeit oder zusätzliche Energieschübe, z.B. Laserschüsse. Sie ist genauer, schneller und ressourcenschonender als bestehende technische Lösungen. [0023] The measurement of fluorescent light intensity, either using specific filters or spectroscopically, can be retrofitted to most existing MSI systems with comparatively little technical effort. The measurement is performed simultaneously and at the same time as the ion spectrometric measurement and requires no additional measurement time or additional energy bursts, such as laser shots. It is more accurate, faster, and more resource-efficient than existing technical solutions.

[0024] Angesichts der vorstehenden Erläuterungen betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Analysieren von Probenmaterial, das auf einem Probenträger angeordnet ist und wenigstens eine Fluoreszenz-fähige Substanz aufweist, umfassend die Schritte: (a) Erfassen räumlich aufgelöster, ionenspektrometrischer Daten vom Probenmaterial unter Verwendung von Energieschüben, die ausgelegt und geeignet sind, örtlich eine Fluoreszenzantwort der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz am Probenmaterial auszulösen, und gleichzeitig Erfassen von räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten vom Probenmaterial, die eine erste Ortsauflösung aufweisen; (b) Erfassen von Fluoreszenzbilddaten vom Probenmaterial, die eine zweite Ortsauflösung aufweisen, welche substantiell größer als die erste Ortsauflösung ist, und wobei Schritt (b) insbesondere vor und/oder nach Schritt (a) ausgeführt werden kann; und (c) Abgleichen und aneinander Ausrichten der räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten. [0024] In view of the above explanations, the invention relates, according to a first aspect, to a method for analyzing sample material arranged on a sample carrier and comprising at least one fluorescence-capable substance, comprising the steps of: (a) acquiring spatially resolved ion spectrometric data from the sample material using energy bursts that are designed and suitable to locally To trigger a fluorescence response of the at least one fluorescence-capable substance on the sample material, and simultaneously acquire spatially resolved fluorescence response data from the sample material having a first spatial resolution; (b) acquire fluorescence image data from the sample material having a second spatial resolution that is substantially greater than the first spatial resolution, and wherein step (b) can be carried out in particular before and/or after step (a); and (c) comparing and aligning the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data.

[0025] Die Bedingungen für die Anregung einer Fluoreszenzantwort beim konfokalen Fluoreszenznachweis während der ionenspektrometrischen Messung einerseits und bei der separaten, hochauflösenden Bilderfassung andererseits weichen voneinander ab. So wird beispielsweise durch die Einwirkung eines Energieschubs Material abgetragen, was den Zeitraum zwischen Anregung und Erlöschen der Fluoreszenzantwort natürlicherweise begrenzt, wohingegen die Anregung beispielsweise in einem hochauflösenden Mikroskop unterhalb einer Abtragschwelle bleibt und damit Probenmaterial-erhaltend ist, so dass eine Fluoreszenzantwort grundsätzlich über eine längere Zeit angeregt werden kann, z.B. um eine kumulierte Fluoreszenzantwort zu verstärken. Nichtsdestoweniger hat sich unerwarteterweise gezeigt, dass die Fluoreszenzantwort auch unter stark voneinander abweichenden Anregungsbedingungen hinreichend gleichförmig und verlässlich nachweisbar erfolgt, so dass ein räumliches Aufeinan- der-Abbilden mit erhöhter Präzision und automatisiert möglich wird. [0025] The conditions for exciting a fluorescence response in confocal fluorescence detection during ion spectrometric measurement, on the one hand, and in separate, high-resolution image acquisition, on the other hand, differ from one another. For example, material is removed by the action of an energy burst, which naturally limits the period between excitation and quenching of the fluorescence response. In contrast, in a high-resolution microscope, for example, the excitation remains below an ablation threshold and thus preserves the sample material, so that a fluorescence response can in principle be excited over a longer period, e.g., to enhance a cumulative fluorescence response. Nevertheless, it has unexpectedly been shown that the fluorescence response is sufficiently uniform and reliably detectable even under strongly differing excitation conditions, enabling spatial sequential imaging with increased precision and in an automated manner.

[0026] Da die Messdaten einerseits bezüglich der unterschiedlichen Modalitäten wie lonen- spektrometrie und gleichzeitigem konfokalem Fluoreszenznachweis in der gleichen Einspannung des Probenträgers erfasst werden, so dass die Ortskoordinaten der gemessenen Signale co-lokalisiert sind und exakt übereinstimmen, und andererseits bezüglich der gleichen Modalitäten wie konfokalem Fluoreszenznachweis während der lonenspektrometrie und separat erfasstem, hochaufgelöstem Fluoreszenzbild das gleiche Antwortverhalten aufweisen, lassen sich die ionenspektrometrischen Daten und das hochaufgelöste Fluoreszenzbild automatisiert unter Vermittlung der konfokalen Fluoreszenzantwortdaten mit erhöhter Präzision räumlich zueinander in Beziehung setzen. Diese Vorgehens weise erlaubt es, auf Orientierungsmarken am Probenmaterial, wie z.B. Risse in einem Gewebe oder Abtragkrater, für die Co-Registrie- rung zu verzichten, deren Verortung sich in den verschiedenen Modalitäten häufig nicht mit der gleichen Genauigkeit ausführen lässt, was Co-Registrierungsfehler verursachen oder noch verschlimmern kann. Darüber hinaus erlaubt eine Verteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das gesamte Probenmaterial hinweg, insbesondere bei gezieltem Anfärben durch einen Nutzer, wenn z.B. Zellkerne überall in einem Gewebe entsprechend markiert sind, die Erfassung von Daten in potentiell jedem analytisch interessierenden Flächenbereich des Probenmaterials, so dass eine hohe Güte der Co-Registrierung über das gesamte Probenmaterial hinweg gewährleistet werden kann. [0026] Since the measurement data are acquired, on the one hand, with respect to the different modalities such as ion spectrometry and simultaneous confocal fluorescence detection in the same clamping of the sample carrier, so that the spatial coordinates of the measured signals are co-localized and exactly match, and, on the other hand, with respect to the same modalities such as confocal fluorescence detection during ion spectrometry and a separately acquired, high-resolution fluorescence image, exhibit the same response behavior, the ion spectrometric data and the high-resolution fluorescence image can be spatially related to each other in an automated manner using the confocal fluorescence response data with increased precision. This approach makes it possible to dispense with orientation markers on the sample material, such as cracks in a tissue or ablation craters, for co-registration, as their location often cannot be carried out with the same accuracy in the different modalities, which can cause or exacerbate co-registration errors. In addition, a distribution of at least one fluorescent substance over the entire sample material allows, in particular in the case of targeted Staining by a user, for example if cell nuclei are appropriately labelled throughout a tissue, the acquisition of data in potentially every analytically interesting surface area of the sample material, so that a high quality of co-registration can be ensured across the entire sample material.

[0027] Grundsätzlich ist es möglich, die ionenspektrometrischen Daten, die Fluoreszenzantwortdaten und die hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten mit der gleichen Einspannung des das Probenmaterial tragenden Probenträgers zu erfassen. Diese Möglichkeit ist zum Beispiel gegeben, wenn ein hochauflösender Fluoreszenzsignalempfänger an den lonenerzeugungsbe- reich gekoppelt oder in diesen integriert ist und für die Erfassung sowohl der Fluoreszenzantwortdaten als auch der Fluoreszenzbilddaten verwendet wird. Ein Beispiel für einen solchen Aufbau ist in der Patentveröffentlichung WO 2024/041681 Al der Anmelderin veranschaulicht, wobei lediglich Einrichtungen zur Material-schonenden Anregung von Fluoreszenzemission hinzugefügt werden müssten. Ein Messablauf kann so gestaltet sein, dass ein Stellglied den das Probenmaterial tragenden Probenträger in eine bestimmte Abtragposition fährt, dann zunächst in einem begrenzten Flächenabschnitt des Probenmaterials Material-schonende Fluoreszenzemission angeregt und räumlich hochaufgelöst erfasst, woraufhin dann der entsprechende Flächenbereich des Probenmaterials mit Energieschüben für Materi al ab trag beaufschlagt, das daraus resultierende ionisierte Probenmaterial ionenspektrometrisch erfasst und gleichzeitig die Fluoreszenzantwort aus dem Flächenbereich des Probenmaterials nachgewiesen wird. Die Messreihe lässt sich dann fortsetzen, indem das Stellglied den das Probenmaterial tragenden Probenträger in eine nächste Abtragposition fährt und der zuvor beschriebene Zyklus auf einem anderen Flächenbereich erneut durchlaufen wird, bis z.B. alle verfügbaren Flächenbereiche beprobt sind. In dieser Ausführung können die Fluoreszenzantwortdaten zur Prozesskontrolle und Qualitätssicherung dienen. [0027] In principle, it is possible to acquire the ion spectrometric data, the fluorescence response data, and the high-resolution fluorescence image data using the same clamping of the sample carrier carrying the sample material. This is possible, for example, if a high-resolution fluorescence signal receiver is coupled to or integrated into the ion generation region and is used to acquire both the fluorescence response data and the fluorescence image data. An example of such a setup is illustrated in the applicant's patent publication WO 2024/041681 A1, whereby only devices for material-friendly excitation of fluorescence emission would have to be added. A measurement sequence can be designed such that an actuator moves the sample carrier carrying the sample material to a specific ablation position, then first excites material-friendly fluorescence emission in a limited area of the sample material and records it with high spatial resolution, whereupon the corresponding area of the sample material is subjected to energy bursts for material ablation, the resulting ionized sample material is recorded using ion spectrometry, and simultaneously the fluorescence response from the area of the sample material is detected. The measurement series can then be continued by the actuator moving the sample carrier carrying the sample material to the next ablation position and the previously described cycle being repeated on a different area of the sample, for example, until all available areas have been sampled. In this embodiment, the fluorescence response data can be used for process control and quality assurance.

[0028] In verschiedenen Ausführungsformen können die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten eine erste räumliche Häufigkeitsverteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das Probenmaterial hinweg enthalten und die Fluoreszenzbilddaten eine zweite räumliche Häufigkeitsverteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das Probenmaterial hinweg enthalten, wobei für das Abgleichen und aneinander Ausrichten eine geringstmögliche Abweichung zwischen der ersten räumlichen Häufigkeitsverteilung und der zweiten räumlichen Häufigkeitsverteilung angestrebt wird. Die Häu- figkeits-, Intensitäts- oder Abundanzverteilung der Fluoreszenzantwort der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz, die mit der gleichen Messmodalität bei unterschiedlichen Ortsauflösungen gemessen wird, erlaubt die Angleichung der Lagekoordinaten aus Datensätzen, die beispielsweise bei unterschiedlichen Einspannungen des Probenträgers gewonnen werden. Die Auswertung kann die Häufigkeitsverteilung einheitlich über die Gesamtheit der Fluoreszenzbilddaten sowie der Fluoreszenzantwortdaten betrachten. Alternativ ist es möglich, die Gesamtfläche, von der die jeweiligen Daten stammen, in Flächenabschnitte zu unterteilen, für die dann jeweils individuell die Häufigkeitsverteilungen ausgewertet werden. Die Ergebnisse aus den Flächenabschnitten lassen sich im Nachgang durch geeignete Algorithmen unter besonderer Betrachtung der Stetigkeit zu einem vereinheitlichten Gesamtbild zusammenfügen. [0028] In various embodiments, the spatially resolved fluorescence response data can contain a first spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material, and the fluorescence image data can contain a second spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material, wherein the smallest possible deviation between the first spatial frequency distribution and the second spatial frequency distribution is sought for the comparison and alignment. The frequency, intensity or abundance distribution of the fluorescence response of the at least one fluorescing substance, which is measured with the same measurement modality at different The measurement with spatial resolution allows the alignment of position coordinates from data sets obtained, for example, with different sample holder clamping arrangements. The evaluation can consider the frequency distribution uniformly across the entire fluorescence image data and the fluorescence response data. Alternatively, it is possible to divide the total area from which the respective data originate into area sections, for which the frequency distributions are then evaluated individually. The results from the area sections can subsequently be combined into a unified overall picture using suitable algorithms, with particular attention to continuity.

[0029] Die erste Ortsauflösung kann im Bereich von Mikrometern liegen, z.B. gewählt aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: zwischen 1 und 10 Mikrometern, zwischen 10 und 100 Mikrometern, zwischen 100 und 1000 Mikrometern, zwischen 1 und 100 Mikrometern, zwischen 1 und 1000 Mikrometern, zwischen 10 und 1000 Mikrometern, und jeder andere Bereich zwischen 1 und 1000 Mikrometern. Die zweite Ortsauflösung kann im Bereich von Nanometern liegen, z.B. gewählt aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: zwischen 1 und 10 Nanometern, zwischen 10 und 100 Nanometern, zwischen 100 und 1000 Nanometern, zwischen 1 und 100 Nanometern, zwischen 1 und 1000 Nanometern, zwischen 10 und 1000 Nanometern, und jeder andere Bereich zwischen 1 und 1000 Nanometern. Vorzugsweise unterscheidet sich die zweite Ortsauflösung in Längeneinheiten von der ersten Ortsauflösung durch einen Faktor 1/n, wobei n gewählt ist aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: >2, >3, >4, >5, >6, >7, >8, > 9, >10, >15, >20, >30, >40, >50, >100, >1000, >10000, >100000, 1000000, und jede andere ganze oder reelle Zahl, die größer ist als zwei. Zur Veranschaulichung des Faktors: wenn die erste Ortsauflösung in Längeneinheiten 10 Mikrometer und die zweite Ortsauflösung 10 Nanometer beträgt, entspricht das n=1000, d.h. einem Faktor ein Tausendstel. [0029] The first spatial resolution may be in the range of micrometers, e.g. selected from the group comprising or consisting of: between 1 and 10 micrometers, between 10 and 100 micrometers, between 100 and 1000 micrometers, between 1 and 100 micrometers, between 1 and 1000 micrometers, between 10 and 1000 micrometers, and any other range between 1 and 1000 micrometers. The second spatial resolution may be in the range of nanometers, e.g. selected from the group comprising or consisting of: between 1 and 10 nanometers, between 10 and 100 nanometers, between 100 and 1000 nanometers, between 1 and 100 nanometers, between 1 and 1000 nanometers, between 10 and 1000 nanometers, and any other range between 1 and 1000 nanometers. Preferably, the second spatial resolution in units of length differs from the first spatial resolution by a factor of 1/n, where n is selected from the group comprising or consisting of: >2, >3, >4, >5, >6, >7, >8, >9, >10, >15, >20, >30, >40, >50, >100, >1000, >10000, >100000, 1000000, and any other integer or real number greater than two. To illustrate the factor: if the first spatial resolution in units of length is 10 micrometers and the second spatial resolution is 10 nanometers, this corresponds to n=1000, i.e., a factor of one thousandth.

[0030] In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gewebeschnitt oder eine Zellkultur als Probenmaterial verwendet werden. Das Probenmaterial auf dem Probenträger kann einen Gewebeschnitt umfassen, der z.B. aus einem gefrorenen Block oder als FFPE (formalin fixed paraffin embedded)-präparierter Block bereitgestellt wird, insbesondere unter Verwendung von Mikrotomie. Der Gewebeschnitt kann auf eine Dicke von etwa 7-20 Mikrometer geschnitten werden, wobei eine nachfolgende Trocknung des feuchten Gewebes das endgültige Präparat noch deutlich dünner machen kann. Das Probenmaterial kann auch ein Feld oder eine Vielzahl von Einzel- oder Punktpräparationen auf dem Probenträger aufweisen, z.B. ein Feld oder eine Vielzahl einzelner Zellen. Eine Einzel- oder Punktpräparation kann insbesondere einen eingetrockneten Flüssigkeits- oder Reagenzienfleck umfassen, der Probenmaterial enthält, z.B. in Form von Zellen oder Analytmolekülen. Ebenso ist es möglich, einzelne Zellen auf dem Probenträger als Probenmaterial vorzusehen. Die einzelnen Zellen können unmittelbar auf dem Probenträger gezüchtet oder gewachsen sein. Einzelne Zellen können beispielsweise den Prokaryoten (z.B. menschliche, tierische, pflanzliche, protistische Zellen oder Pilzzellen) oder Eukaryoten (z.B. bakterielle oder archäische Zellen) angehören. [0030] In various embodiments, a tissue section or a cell culture can be used as sample material. The sample material on the sample carrier can comprise a tissue section, which is provided, for example, from a frozen block or as an FFPE (formalin fixed paraffin embedded)-prepared block, in particular using microtomy. The tissue section can be cut to a thickness of approximately 7-20 micrometers, whereby subsequent drying of the moist tissue can make the final preparation significantly thinner. The sample material can also comprise a field or a plurality of individual or spot preparations on the sample carrier, e.g., a field or a multitude of individual cells. A single or spot preparation can, in particular, comprise a dried spot of liquid or reagent containing sample material, e.g., in the form of cells or analyte molecules. It is also possible to provide individual cells on the sample carrier as sample material. The individual cells can be cultured or grown directly on the sample carrier. Individual cells can, for example, belong to prokaryotes (e.g., human, animal, plant, protist cells, or fungal cells) or eukaryotes (e.g., bacterial or archaeal cells).

[0031] Der Probenträger kann plattenförmig sein. Der Probenträger kann die Abmessungen einer üblichen Mikrotitrationsplatte aufweisen, z.B. 127,71 Millimeter lang, 85,43 Millimeter breit und 14,10 Millimeter dick. Das Material des Probenträgers kann leitfähig sein. Beispielsweise kann es ein glas-, keramik- oder kunststoffhaltiges Substrat aufweisen, dass an einer das Probenmaterial tragenden Fläche leitfähig beschichtet ist. Als Beispiel seien Indium-Zinnoxid beschichtete Glasobjektträger genannt. Die teilweise elektrische Leitfähigkeit des Probenträgers erlaubt die Erzeugung eines elektrischen Referenzpotentials, das insbesondere bei der Handhabung der im Zuge von Abtragereignissen gebildeten Ionen von Nutzen ist. [0031] The sample carrier can be plate-shaped. The sample carrier can have the dimensions of a conventional microtitration plate, e.g., 127.71 millimeters long, 85.43 millimeters wide, and 14.10 millimeters thick. The material of the sample carrier can be conductive. For example, it can comprise a glass, ceramic, or plastic substrate with a conductive coating on a surface supporting the sample material. Indium tin oxide-coated glass slides are examples. The partial electrical conductivity of the sample carrier allows the generation of an electrical reference potential, which is particularly useful when handling the ions formed during ablation events.

[0032] In verschiedenen Ausführungsformen können die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten und die Fluoreszenzbilddaten von wenigstens einer extrinsischen Fluoreszenz-fähigen Substanz, z.B. Hoechst33342, DAPI oder Calcein Blue, stammen, die dem Probenmaterial vor dem Erfassen der ionenspektrometrischen Daten, der Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten zugefügt wird. Vorzugsweise weist die Fluoreszenz-fähige Substanz gute Anregungseigenschaften im ultravioletten Spektralbereich auf, um insbesondere mit UV-MALDI vereinbar zu sein, z.B. zwischen 300 und 400 Nanometern und speziell zwischen 330 und 360 Nanometern Wellenlänge, und emittiert nach Anregung Fluoreszenzlicht in einem zu geringeren Energien verschobenen Wellenlängenbereich wie dem sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. zwischen 400 und 800 Nanometern, insbesondere zwischen 450 und 650 Nanometern. [0032] In various embodiments, the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data can originate from at least one extrinsic fluorescent substance, e.g., Hoechst 33342, DAPI, or Calcein Blue, which is added to the sample material prior to acquiring the ion spectrometric data, the fluorescence response data, and the fluorescence image data. Preferably, the fluorescent substance exhibits good excitation properties in the ultraviolet spectral range, particularly to be compatible with UV-MALDI, e.g., between 300 and 400 nanometers, and especially between 330 and 360 nanometers, and upon excitation, emits fluorescent light in a wavelength range shifted to lower energies, such as the visible wavelength range, e.g., between 400 and 800 nanometers, especially between 450 and 650 nanometers.

[0033] Der Fluoreszenzfarbstoff Hoechst33342 hat mehrere vorteilhafte Eigenschaften. Er ist spezifisch für DNS (Desoxyribonukleinsäure), da er bevorzugt an Adenin-Thymin-Regio- nen (A-T) der DNS bindet. Dies ermöglicht eine spezifische Färbung von Zellkernen in lebenden oder fixierten Zellen und Geweben. Seine Fluoreszenzeigenschaften gewähren, dass er durch UV-Licht angeregt wird und Licht im Spektrum von Blau bis Cyan aussendet. Dies ermöglicht die Visualisierung von DNS mit Fluoreszenz-spektroskopischen oder -mikroskopischen Mitteln. Hoechst33342 ist ferner kompatibel mit Antikörpern und anderen Sonden, die mit Fluorescein- und Rhodaminfarbstoffen markiert sind. Dies ermöglicht die gleichzeitige Visualisierung von DNS und spezifischen zellulären Zielen. [0033] The fluorescent dye Hoechst33342 has several advantageous properties. It is specific for DNA (deoxyribonucleic acid) because it binds preferentially to adenine-thymine (AT) regions of DNA. This enables specific staining of cell nuclei in living or fixed cells and tissues. Its fluorescence properties ensure that it is excited by UV light and emits light in the spectrum from blue to cyan. This enables the visualization of DNA using fluorescence spectroscopic or microscopic means. Hoechst33342 is also compatible with antibodies and other probes that labeled with fluorescein and rhodamine dyes. This allows for the simultaneous visualization of DNA and specific cellular targets.

[0034] Eine vorteilhafte Eigenschaft von DAPI ist, dass durch den Einsatz von sogenannten Anti -Fading-Mitteln sein Ausbleichen verzögert werden kann, was die lichtoptische Beobachtungsdauer verlängert, z.B. bei der Erfassung von hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten. [0034] An advantageous property of DAPI is that its bleaching can be delayed by the use of so-called anti-fading agents, which extends the light-optical observation time, e.g., when acquiring high-resolution fluorescence image data.

[0035] In verschiedenen Ausführungsformen können die Energieschübe durch einen Pulslaser ausgelöst werden, der z.B. Laserpulse im ultravioletten Spektralbereich aussendet. Die Taktrate einer Pulsfolge kann im Bereich einiger Hertz, z.B. 1-20 Pulse pro Sekunde, bis zu 103 oder 104 Hertz betragen. Vorzugsweise können die Laserpulse im Auflicht oder im Durchlicht örtlich auf das Probenmaterial einfallen. Einstrahlung im Auflicht erlaubt die Verwendung lichtundurchlässiger Probenträgerhalter und die Analyse von dickem Probenmaterial. Einstrahlung im Durchlicht erlaubt es, den lonenerzeugungsbereich weitgehend frei von lichtoptischen Baugruppen für die Erfassung einer Fluoreszenzantwort auszugestalten sowie die Fokussierung des Laserflecks auf Durchmesser im niedrigen, z.B. einstelligen, Mikrometerbereich einzustellen. [0035] In various embodiments, the energy bursts can be triggered by a pulsed laser, which, for example, emits laser pulses in the ultraviolet spectral range. The clock rate of a pulse train can be in the range of a few Hertz, e.g., 1-20 pulses per second, up to 10 3 or 10 4 Hertz. Preferably, the laser pulses can be incident locally on the sample material in reflected light or transmitted light. Irradiation in reflected light allows the use of opaque sample carriers and the analysis of thick sample material. Irradiation in transmitted light allows the ion generation region to be designed largely free of light-optical components for detecting a fluorescence response, and the focusing of the laser spot to be adjusted to diameters in the low, e.g., single-digit, micrometer range.

[0036] In verschiedenen Ausführungsformen kann das Probenmaterial vor Schritt (a) mit einer Matrix sub stanz präpariert werden, die für die Matrix-unterstützte Ionisierung geeignet ist, insbesondere die Matrix-unterstützte Laserdesorption und Ionisierung (MALDI). Beispiele für UV-empfängliche MALDI-Matrixsub stanzen sind 2,5-Dihydroxyacetophenon (DHAP), 2,5- Dihydroxybenzoesäure (DHB), a-Cyano-4-hydroxyzimtsäure (HCCA) oder Sinapinsäure (SA). MALDI hat den Vorteil, Analytmoleküle im nativen Zustand zu ionisieren und verleiht überwiegend den Ladungszustand z=l, was die ionenspektrometrische Handhabung und Analyse vereinfacht. Für die Auftragung der Matrixsub stanz auf das Probenmaterial werden Verfahren bevorzugt, die eine gleichmäßige Schichtdicke und wenig Kristallunregelmäßigkeiten erzeugen. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist die (Re-)Sublimation, siehe insbesondere die Arbeit von Joseph A. Hankin et al. (J Am Soc Mass Spectrom. 2007 September; 18(9): 1646-1652, Sublimation as a Method of Matrix Application for Mass Spectrometric Imaging). Sofern Schritt (b) des Verfahrens vor Schritt (a) des Verfahrens ausgeführt wird, kann die Matrixsub stanz vor Schritt (b), z.B. wenn die Erfassung der ionenspektrometrischen Daten, der Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten in einer gleichen Einspannung des Probenträgers und/oder in einem gleichen Probenschacht erfolgt, oder zwischen Schritt (b) und Schritt (a) angewendet werden. [0037] In verschiedenen Ausführungsformen kann die Fluoreszenzantwort Fluoreszenzlichtemission der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz umfassen, die lichtoptisch, z.B. unter Verwendung eines Mikroskops, nachgewiesen wird. Ein Mikroskop ist für diese Ausführung vorzugsweise an den lonenerzeugungsbereich, z.B. eine MALDI-Quelle, angekoppelt oder in diesen integriert. Die Fluoreszenzlichtemission kann in Form eines breitbandigen Spektrums oder schmalbandigen Wellenlängen-ZFrequenzbereichs, z.B. nach Filterung, lichtoptisch nachgewiesen werden. Die Abdeckung eines ausgedehnten Wellenlängenbereichs gewährt höhere Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in der Fluoreszenzantwort. Ein schmalbandiger Bereich wiederum hat den Vorteil, dass lichtoptische Baugruppen, die für das Sammeln und Nachweisen des Fluoreszenzlichts verwendet werden, auf den Empfang dieser Wellenlänge optimiert werden können, und ermöglicht ferner eine schärfere Abgrenzung gegenüber Energieschüben für die Anregung der Fluoreszenzantwort als auch gegenüber etwaiger intrinsischer Fluoreszenzemission, wie sie bei Laserbeschuss in manchen Matrixsub stanzen auftreten kann. Ein schmalbandiger Bereich AA = Amax - Amin lässt sich wählen aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: 5 Nanometer, 10 Nanometer, 20 Nanometer, 30 Nanometer, 40 Nanometer, 50 Nanometer, und jeder andere geeignete Bereich zwischen 5 und 50 Nanometer. [0036] In various embodiments, the sample material can be prepared prior to step (a) with a matrix substance suitable for matrix-assisted ionization, in particular matrix-assisted laser desorption and ionization (MALDI). Examples of UV-sensitive MALDI matrix substances are 2,5-dihydroxyacetophenone (DHAP), 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (HCCA), or sinapic acid (SA). MALDI has the advantage of ionizing analyte molecules in their native state and predominantly imparts the charge state z=1, which simplifies ion spectrometric handling and analysis. For applying the matrix substance to the sample material, methods that produce a uniform layer thickness and few crystal irregularities are preferred. One example of such a method is (re-)sublimation; see in particular the work of Joseph A. Hankin et al. (J Am Soc Mass Spectrom. 2007 September; 18(9): 1646-1652, Sublimation as a Method of Matrix Application for Mass Spectrometric Imaging). If step (b) of the method is carried out before step (a) of the method, the matrix substance can be applied before step (b), e.g., if the acquisition of the ion spectrometric data, the fluorescence response data, and the fluorescence image data takes place in the same clamping of the sample carrier and/or in the same sample well, or between step (b) and step (a). [0037] In various embodiments, the fluorescence response can comprise fluorescent light emission from the at least one fluorescing substance, which is detected light-optically, e.g., using a microscope. For this embodiment, a microscope is preferably coupled to or integrated into the ion generation region, e.g., a MALDI source. The fluorescent light emission can be detected light-optically in the form of a broadband spectrum or narrowband wavelength-Z frequency range, e.g., after filtering. Covering an extended wavelength range provides greater sensitivity to changes in the fluorescence response. A narrowband range, in turn, has the advantage that light-optical assemblies used for collecting and detecting fluorescent light can be optimized for reception of this wavelength. It also enables sharper discrimination against energy bursts for excitation of the fluorescence response, as well as against any intrinsic fluorescence emission that can occur in some matrix substances upon laser irradiation. A narrowband range AA = Amax - Amin can be selected from the group comprising or consisting of: 5 nanometers, 10 nanometers, 20 nanometers, 30 nanometers, 40 nanometers, 50 nanometers, and any other suitable range between 5 and 50 nanometers.

[0038] In verschiedenen Ausführungsformen können die ionenspektrometrischen Daten eine dritte räumliche Häufigkeitsverteilung wenigstens eines Moleküls von Interesse im Probenmaterial beinhalten, insbesondere gewählt aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: Proteine, Peptide, Lipide, Saccharide, Nukleotide, Metabolite, Biopolymere. Die dritte räumliche Häufigkeitsverteilung kann die Form einer lonenverteilungskarte annehmen, die die Intensität oder Abundanz eines Analytmoleküls aus dem Probenmaterial über das Probenmaterial hinweg wiedergibt. Solche Verteilungskarten lassen sich für eine Vielzahl von Analytmo- lekülen im Probenmaterial erstellen. Die Verteilungskarten erlauben beispielsweise die Untersuchung von physiologischen, biologischen und/oder Stoffwechsel-Prozessen im Probenmaterial. [0038] In various embodiments, the ion spectrometric data may include a third spatial frequency distribution of at least one molecule of interest in the sample material, in particular selected from the group comprising or consisting of: proteins, peptides, lipids, saccharides, nucleotides, metabolites, biopolymers. The third spatial frequency distribution may take the form of an ion distribution map that represents the intensity or abundance of an analyte molecule from the sample material across the sample material. Such distribution maps can be created for a variety of analyte molecules in the sample material. The distribution maps allow, for example, the investigation of physiological, biological, and/or metabolic processes in the sample material.

[0039] In verschiedenen Ausführungsformen können für das Abgleichen und aneinander Ausrichten die zweite Ortsauflösung der Fluoreszenzbilddaten und die erste Ortsauflösung der Fluoreszenzantwortdaten einander angeglichen werden, z.B. durch Herunterskalieren der zweiten Ortsauflösung. In einem einfachen Beispiel können die Bilddaten aus verschiedenen Bildelementen oder Pixeln durch Summation der Wellenlängen-aufgelösten und Fluoreszenzspezifischen Intensitätsinformation in Flächenbereichen der Fluoreszenzbilddaten zusammengefasst werden, die einem Bildelement oder Pixel der Fluoreszenzantwortdaten entsprechen, gegebenenfalls unter Verwendung von mathematischen Operatoren, die Interpolation, Extrapolation und/oder Regression anwenden. [0039] In various embodiments, the second spatial resolution of the fluorescence image data and the first spatial resolution of the fluorescence response data can be adjusted to each other for the purpose of matching and aligning, e.g., by downscaling the second spatial resolution. In a simple example, the image data from different image elements or pixels can be adjusted by summing the wavelength-resolved and fluorescence-specific intensity information in surface areas of the fluorescence image data. corresponding to a picture element or pixel of the fluorescence response data, optionally using mathematical operators applying interpolation, extrapolation and/or regression.

[0040] In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Ergebnis des Abgleichens und aneinander Ausrichtens verwendet werden, um die ionenspektrometrischen Daten und die Fluoreszenzbilddaten räumlich zu co-registrieren, z.B. unter Verwendung einer Transformationsmatrix, polynomialen Anpassung oder eines Vektorfelds. Die Bilder verschiedener Modalitäten, z.B. eine lichtoptische oder mikroskopische Aufnahme von Fluoreszenzlicht und eine lo- nenverteilungskarte, können rechnerisch verschmolzen werden (image fusion) und auf diese Weise mehr Information über das Probenmaterial liefern, als es ein Bild oder eine Karte einer einzelnen Modalität vermöchte. Beispiele dafür sind in der Patentveröffentlichung DE 10 2008 023 438 Al der Anmelderin und in der Studie von Raf Van de Pias et al. (Nature Methods, Vol. 12 No.4, April 2015, 366-372) zu finden. [0040] In various embodiments, a result of the alignment and aligning can be used to spatially co-register the ion spectrometric data and the fluorescence image data, e.g., using a transformation matrix, polynomial fitting, or a vector field. Images from different modalities, e.g., a light-optical or microscopic image of fluorescent light and an ion distribution map, can be computationally merged (image fusion), thus providing more information about the sample material than an image or map from a single modality could. Examples of this can be found in the applicant's patent publication DE 10 2008 023 438 A1 and in the study by Raf Van de Pias et al. (Nature Methods, Vol. 12 No. 4, April 2015, pp. 366-372).

[0041] In verschiedenen Ausführungsformen können die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten im Auflicht vom und/oder im Durchlicht durch den Probenträger erfasst werden. Die Erfassung im Auflicht erlaubt die Verwendung von lichtundurchlässigen Probenträgerhaltern und die Untersuchung dicken Probenmaterials. Die Erfassung im Durchlicht hält den lonenerzeugungsbereich frei von lichtoptischen Baugruppen zum Sammeln und Führen von Fluoreszenzlicht und ermöglicht die optische Beobachtung mit hoher numerischer Apertur und entlang einer Beobachtungsachse, die senkrecht zum Probenträger ausgerichtet ist, und somit eine durch weniger geometrische Einflüsse verzerrte Beobachtung der Fluoreszenzantwort erlauben. [0041] In various embodiments, the spatially resolved fluorescence response data can be acquired in reflected light from and/or transmitted light through the sample carrier. Acquisition in reflected light allows the use of opaque sample carrier holders and the examination of thick sample material. Acquisition in transmitted light keeps the ion generation region free of light-optical assemblies for collecting and guiding fluorescent light and enables optical observation with a high numerical aperture and along an observation axis oriented perpendicular to the sample carrier, thus allowing observation of the fluorescence response with fewer geometric influences.

[0042] Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein System zum Analysieren von Probenmaterial, das auf einem Probenträger angeordnet ist und wenigstens eine Fluoreszenz-fähige Substanz aufweist, umfassend: - einen lonenanalysator, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich aufgelöste, ionenspektrometrische Daten vom Probenmaterial zu erfassen; - einen Fluoreszenzantwort-Empfänger, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich aufgelöste Fluoreszenzantwortdaten vom Probenmaterial zu erfassen; - einen Fluoreszenzbild-Empfänger, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich hochaufgelöste Fluoreszenzbilddaten vom Probenmaterial zu erfassen; und - eine Prozessier-Einrichtung, die in Datenkommunikation mit dem lonenanalysator, Fluoreszenzantwort-Empfänger und Fluoreszenzbild-Empfänger steht und dazu angeordnet und programmiert ist, ein wie zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen. [0043] In verschiedenen Ausführungsformen kann der lonenanalysator einen Massenanalysator, Mobilitätsanalysator oder kombinierten Mobilitäts-Massenanalysator aufweisen. Die Massenanalyse kann der letzte analytische Schritt sein, dem das ionisierte Probenmaterial unterworfen wird. Vor dem eigentlichen Massenanalysator oder den mehreren hintereinander geschalteten Analysatoren und auch in verschiedenen Abschnitten zwischen solchen hintereinander geschalteten Analysatoren können ionenführende Zwischenstufen angeordnet sein, beispielsweise Hochfrequenzspannungs-Ionenleiter wie Stab-Multipole, Ringstapel-Ionenlei- ter oder auch HF-Trichteranordnungen. Ebenso können unterschiedliche Analysatoren und Zwischenstufen auf unterschiedlichen Unterdruckniveaus betrieben werden. [0042] According to a second aspect, the invention relates to a system for analyzing sample material arranged on a sample carrier and comprising at least one fluorescence-capable substance, comprising: - an ion analyzer arranged and designed to acquire spatially resolved, ion spectrometric data from the sample material; - a fluorescence response receiver arranged and designed to acquire spatially resolved fluorescence response data from the sample material; - a fluorescence image receiver arranged and designed to acquire spatially highly resolved fluorescence image data from the sample material; and - a processing device which is in data communication with the ion analyzer, fluorescence response receiver and fluorescence image receiver and is arranged and programmed to carry out a method as described above. [0043] In various embodiments, the ion analyzer may comprise a mass analyzer, a mobility analyzer, or a combined mobility-mass analyzer. Mass analysis may be the final analytical step to which the ionized sample material is subjected. Ion-conducting intermediate stages, for example, high-frequency voltage ion conductors such as rod multipoles, ring-stack ion conductors, or even RF funnel arrangements, may be arranged upstream of the actual mass analyzer or the multiple analyzers connected in series, and also in various sections between such analyzers connected in series. Likewise, different analyzers and intermediate stages may be operated at different vacuum levels.

[0044] Ein Massenanalysator trennt geladene Moleküle oder Molekülionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z. Verwendet werden können Flugzeitanalysatoren, für die sowohl Linear- als auch Reflektoraufbauten und/oder solche mit axialer oder orthogonaler Beschleunigung in die Flugstrecke vorgesehen sein können. Auch andere Arten massendispergierender Analysatoren lassen sich einsetzen, z.B. Quadrupol -Massenfilter (single quads'), Tripel-Quadrupol-Analysatoren („Tripel-Quads“), lonenzyklotronresonanz-Zellen (ion cyclotron resonance, ICR), Analysatoren des Kingdon-Typs wie die Orbitrap® (Thermo Fisher Scientific) und andere. [0044] A mass analyzer separates charged molecules or molecular ions according to their mass-to-charge ratio m/z. Time-of-flight analyzers can be used, which can be linear or reflector-type and/or those with axial or orthogonal acceleration into the path of flight. Other types of mass-dispersive analyzers can also be used, e.g., quadrupole mass filters (single quads), triple quadrupole analyzers ("triple quads"), ion cyclotron resonance (ICR) cells, Kingdon-type analyzers such as the Orbitrap® (Thermo Fisher Scientific), and others.

[0045] Ein lonenmobilitätsanalysator trennt geladene Moleküle oder Molekülionen gemäß ihrem Stoßquerschnitt-zu-Ladungsverhältnis, gelegentlich als Q/z oder G/Z bezeichnet. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung der lonenspezies mit einem elektrischen Feld, das mit der Ladung der Ionen koppelt, bei gleichzeitiger Einwirkung eines Puffergases, das auf die mittlere Querschnittsfläche des Ions einwirkt. Bekannt sind insbesondere Driftröhren-Mo- bilitätsanalysatoren mit statischem elektrischen Feldgradienten, die Ionen durch ein im Wesentlichen ruhendes Gas treiben, wobei sich die Driftgeschwindigkeit einer lonenspezies aus der vorantreib enden Kraft des elektrischen Feldes und der bremsenden Kraft der Stöße mit den Gasteilchen ergibt. Ebenso geläufig sind Speicher-Ionenmobilitätsseparatoren (trapping ion mobility separators, TIMS) mit einem die Ionen vorantreib enden stetigen laminaren Gasstrom, dem ein schrittweise veränderter elektrischer Feldgradient mit entsprechend veränderlicher Bremskraft entgegenwirkt. Erwähnt werden können auch Wanderwellen-Mobilitäts- analysatoren (travelling wave). Es versteht sich, dass Analysatoren der vorgenannten Typen gekoppelt werden können, um lonenspezies mehrdimensional, also gemäß mehr als einer physikalisch-chemischen Eigenschaft wie m/z und Q/z oder o/z, trennen zu können. [0046] In verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluoreszenzantwort-Empfänger eine Kamera, einen Photo- Vervielfacher und/oder ein Photospektrometer aufweisen, die insbesondere direkt oder unter Verwendung eines Lichtwellenleiters, wie z.B. einer optischen Faser, ausgeleuchtet werden. Ein flexibler Lichtwellenleiter erhöht insbesondere die Wahlmöglichkeiten, wie man einzelne optische Baugruppen anordnen kann. Bei der nicht wellenlängenaufgelösten Betrachtung kann dabei der Messbereich auf die einer Fluoreszenz-fähigen Substanz zuzuordnende Emission eingeschränkt werden. Dazu lassen sich schmalbandige optische Filter einsetzen, die individuell auf das Emissionsverhalten der jeweiligen, verwendeten Fluoreszenz-fähigen Substanz abgestimmt und eingesetzt werden können. Auf diese Weise wird der Anteil am Gesamtsignal, der durch eine breitbandige Emission einer Matrixsub stanz oder durch Autofluoreszenz des Probenmaterials erzeugt werden kann, deutlich reduziert und die Spezifität der gemessenen Fluoreszenzantwort mit Bezug auf die eingesetzte Fluoreszenz-fähige Substanz erhöht. [0045] An ion mobility analyzer separates charged molecules or molecular ions according to their collision cross-section-to-charge ratio, sometimes referred to as Q/z or G/Z. This is based on the interaction of the ion species with an electric field that couples to the charge of the ions, with the simultaneous action of a buffer gas acting on the mean cross-sectional area of the ion. Drift tube mobility analyzers with a static electric field gradient are particularly well known. These drive ions through an essentially static gas, with the drift velocity of an ion species resulting from the propulsive force of the electric field and the decelerating force of the collisions with the gas particles. Also common are trapping ion mobility separators (TIMS), which use a steady laminar gas flow that propels the ions, counteracted by a gradually changing electric field gradient with a correspondingly variable stopping force. Traveling wave mobility analyzers are also worth mentioning. It is understood that analyzers of the aforementioned types can be coupled to separate ion species multidimensionally, i.e., according to more than one physicochemical property such as m/z and q/z or o/z. [0046] In various embodiments, the fluorescence response receiver can comprise a camera, a photomultiplier, and/or a photospectrometer, which are illuminated, in particular, directly or using an optical waveguide, such as an optical fiber. A flexible optical waveguide, in particular, increases the options for arranging individual optical assemblies. In the case of non-wavelength-resolved observation, the measurement range can be restricted to the emission attributable to a fluorescent substance. For this purpose, narrow-band optical filters can be used, which can be individually matched to the emission behavior of the respective fluorescent substance used. In this way, the proportion of the total signal that can be generated by broadband emission of a matrix substance or by autofluorescence of the sample material is significantly reduced, and the specificity of the measured fluorescence response with respect to the fluorescent substance used is increased.

[0047] Die Prozessier-Einrichtung kann ein Rechenwerk enthalten, das insbesondere einen oder mehrere Schaltkreise oder einen oder mehrere Mikroprozessoren aufweist. Die Prozessier-Einrichtung kann als Leitstelle für den Betrieb der kommunikativ angeschlossenen Komponenten dienen, z.B. indem es Daten von diesen Komponenten entgegennimmt, diese verarbeitet und ausgibt und/oder daraus Steuerbefehle ableitet, die wiederum an die kommunikativ angeschlossenen Komponenten ausgesendet werden, um Arbeitsabläufe dieser Komponenten auszulösen, zu beenden und/oder zu kontrollieren. Die Prozessier-Einrichtung kann zentral oder dezentral ausgestaltet sein. Dezentral kann bedeuten, dass eine Vielzahl von Rechenwerk-Untereinheiten vorhanden ist, die jeweils nahe bei den kommunikativ angeschlossenen Komponenten angeordnet sind und mit einer Zentral-Rechenwerk-Einheit kommunizieren, wo alle Informationen zusammenlaufen. [0047] The processing device can contain a computing unit, which in particular has one or more circuits or one or more microprocessors. The processing device can serve as a control center for the operation of the communicatively connected components, e.g., by receiving data from these components, processing and outputting it, and/or deriving control commands therefrom, which in turn are sent to the communicatively connected components in order to initiate, terminate, and/or control workflows of these components. The processing device can be configured centrally or decentrally. Decentralized can mean that a plurality of computing unit subunits are present, each of which is arranged close to the communicatively connected components and communicates with a central computing unit where all information converges.

Kurze Beschreibung der Abbildungen Short description of the figures

[0048] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Abbildungen verwiesen. Die Elemente in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, sondern sollen in erster Linie die Prinzipien der Erfindung (größtenteils schematisch) veranschaulichen. In den Abbildungen sind einander entsprechende Elemente in den verschiedenen Ansichten durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. [0048] For a better understanding of the invention, reference is made to the following figures. The elements in the figures are not necessarily drawn to scale, but are primarily intended to illustrate (largely schematically) the principles of the invention. In the figures, corresponding elements are designated by like reference numerals throughout the different views.

[0049] Abbildung 1 veranschaulicht schematisch eine Ausführung eines Verfahrens und Systems gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, die im Auflicht arbeitet. [0050] Abbildung 2 veranschaulicht schematisch eine Ausführung eines Verfahrens und Systems gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, die teilweise im Auflicht und teilweise im Durchlicht (in Transmission) arbeitet. [0049] Figure 1 schematically illustrates an embodiment of a method and system according to principles of the present disclosure operating in reflected light. [0050] Figure 2 schematically illustrates an embodiment of a method and system according to principles of the present disclosure, operating partly in incident light and partly in transmitted light.

[0051] Abbildung 3 illustriert schematisch einen Vorgang des Abgleichens und aneinander Ausrichtens von Messdaten der gleichen Modalität, die mit unterschiedlichen Ortsauflösun- gen erfasst wurden, gemäß Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. [0051] Figure 3 schematically illustrates a process of comparing and aligning measurement data of the same modality acquired at different spatial resolutions, according to principles of the present disclosure.

[0052] Abbildung 4 zeigt Messdaten einer Fluoreszenzmodalität, die bei unterschiedlichen räumlichen Auflösungen erfasst wurden, und Messdaten einer ionenspektrometrischen Modalität, deren Ortskoordinaten und räumliche Auflösung mit einer der Fluoreszenzmodalitäten übereinstimmen. [0052] Figure 4 shows measurement data of a fluorescence modality acquired at different spatial resolutions and measurement data of an ion spectrometric modality whose spatial coordinates and spatial resolution match one of the fluorescence modalities.

Detaillierte Beschreibung Detailed description

[0053] Während die Erfindung anhand einer Anzahl von Ausführungsformen dargestellt und erläutert wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet anerkennen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der in den beigefügten Patentansprüchen definierten technischen Lehre abzuweichen. [0053] While the invention has been shown and explained in terms of a number of embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the technical teachings defined in the appended claims.

[0054] Abbildung 1 zeigt schematisch eine lonenquelle 2, in der durch Einwirkung von Energieschüben 4 auf ein Probenmaterial (nicht gezeigt), das auf einem Probenträger 6 abgelegt ist, örtlich Moleküle vom Probenmaterial abgetragen, in die Gasphase überführt und ionisiert werden (schematisch bei Pfeil 8). Der Energieschub 4 kann ein gepulster Laserstrahl sein und beispielsweise Laserlicht einer Wellenlänge aus dem ultravioletten Spektralbereich umfassen, z.B. 337 Nanometer oder 355 Nanometer. Der gepulste Laserstrahl fällt in dem gezeigten Beispiel im Auflicht auf das Probenmaterial. Der Probenträger 6 kann ein ebener Indium -Zinnoxid-beschichteter Glasobjektträger sein. Das Probenmaterial kann einzelne Zellen, die beispielsweise auf dem Probenträger gezüchtet oder nach Züchtung auf diesen aufgebracht werden, oder einen Verbund aus Zellen wie in einem Gewebeschnitt umfassen. Das Probenmaterial kann mit einer Matrixsub stanz präpariert sein, um die Energieaufnahme eines Energieschubs zu erleichtern und sachte Ionisierung zu fördern. [0054] Figure 1 schematically shows an ion source 2 in which, by applying energy bursts 4 to a sample material (not shown) deposited on a sample carrier 6, molecules are locally removed from the sample material, transferred into the gas phase, and ionized (schematically at arrow 8). The energy burst 4 can be a pulsed laser beam and, for example, comprise laser light with a wavelength from the ultraviolet spectral range, e.g., 337 nanometers or 355 nanometers. In the example shown, the pulsed laser beam is incident on the sample material in reflected light. The sample carrier 6 can be a flat indium tin oxide-coated glass slide. The sample material can comprise individual cells, which are, for example, grown on the sample carrier or applied to it after cultivation, or a composite of cells, as in a tissue section. The sample material may be prepared with a matrix substance to facilitate the absorption of an energy burst and promote gentle ionization.

[0055] In verschiedenen Ausführungsformen können Probenmaterial und Probenträger 6 in einem Unterdruckbereich gehalten werden. Ein typischer Druck, anwendbar beispielsweise für Vakuum-MALDI, ist substantiell größer als ein Hochvakuum (> 10'3 Hektopascal) und geringer als etwa 102 Hektopascal (< Atmosphärendruck), z.B. 0,1-10 Hektopascal. Der Materialabtrag kann weiterhin durch Postdesorptions-Ionisierung ergänzt werden, beispielsweise durch das MALDI-2 -Verfahren, siehe die Arbeit von Jens Soltwisch et al. (Science, 10 April 2015 • Vol 348 Issue 6231, 211-215). [0055] In various embodiments, the sample material and sample carrier 6 can be kept in a negative pressure range. A typical pressure, applicable for example for vacuum MALDI, is substantially greater than a high vacuum (>10' 3 hectopascals) and less than about 10 2 hectopascals (< atmospheric pressure), e.g., 0.1-10 hectopascals. Material removal can be further supplemented by post-desorption ionization, for example by the MALDI-2 method, see the work of Jens Soltwisch et al. (Science, 10 April 2015 • Vol 348 Issue 6231, 211-215).

[0056] Das örtlich abgetragene und ionisierte Probenmaterial wird unter Verwendung elektromagnetischer Felder und gegebenenfalls unterstützt durch den Fluss eines reaktionsträgen Gases wie molekularem Stickstoff geführt und an eine letztlich einen Massenanalysator umfassende lonenverarbeitungseinrichtung übergeben, schematisch angedeutet durch eine Extraktionselektrode 10, die einem Auftreffpunkt des gepulsten Laserstrahls auf dem Probenmaterial gegenüberliegt. Der Probenträger 6 und das darauf abgelegte Probenmaterial lassen sich durch ein Stellglied, das mit dem Probenträger 6 gekoppelt ist (nicht gezeigt), z.B. einen Verschiebetisch, zu dieser Extraktionselektrode 10 räumlich ausrichten. Wiederholt einfallende Energieschübe 4 auf einen gleichen Auftreffpunkt als auch auf räumlich versetzte Auftreffpunkte am Probenmaterial (schematisch bei 12) erzeugen lonenpakete, die vom Massenanalysator sortiert und letztlich in Histogrammen aufgezeichnet werden (schematisch bei 14), die die Abundanz oder Intensität der Ionen gegen einen Masse-bezogenen Wert wie das Masse- zu-Ladungsverhältnis m/z auftragen. [0056] The locally ablated and ionized sample material is guided using electromagnetic fields and, if necessary, assisted by the flow of an inert gas such as molecular nitrogen and transferred to an ion processing device, ultimately comprising a mass analyzer. Schematically indicated by an extraction electrode 10, which is located opposite the point of impact of the pulsed laser beam on the sample material, the sample carrier 6 and the sample material deposited thereon can be spatially aligned with this extraction electrode 10 by an actuator coupled to the sample carrier 6 (not shown), e.g., a translation stage. Repeatedly incident energy bursts 4 on the same impact point as well as on spatially displaced impact points on the sample material (schematically at 12) generate ion packets that are sorted by the mass analyzer and ultimately recorded in histograms (schematically at 14) that plot the abundance or intensity of the ions against a mass-related value such as the mass-to-charge ratio m/z.

[0057] Das Probenmaterial auf dem Probenträger 6 weist eine Fluoreszenz-fähige Substanz auf, beispielsweise kann das Probenmaterial vor der Messung mit einem extrinsischen Fluoreszenzfarbstoff behandelt werden. Der Fluoreszenzfarbstoff kann beispielsweise gute Anregungseigenschaften in einem Wellenlängenbereich aufweisen, der einer bevorzugten Anregungswellenlänge einer Matrixsub stanz für die Matrix-unterstützte Ionisierung, besonders bevorzugt in der Ausführung als MALDI, entspricht, mit der das Probenmaterial präpariert worden ist. Dieser Anregungswellenlängenbereich kann beispielsweise zwischen 300 und 400 Nanometern, insbesondere zwischen 330 und 360 Nanometern, liegen. Der Fluoreszenzfarbstoff kann bevorzugt mit bestimmten Molekülen des Probenmaterials binden, wohingegen er indifferenter gegenüber anderen Molekülen des Probenmaterials ist. Bei Zellen beispielsweise kann sich der Fluoreszenzfarbstoffbevorzugt an bestimmten Merkmalen einer Zelle anlagern, z.B. den Zellwänden oder dem Zellkern, wohingegen er wenig Bindungsneigung zu umliegenden Teilen der Zelle aufweist. Auf diese Weise ergibt sich bei Anwendung des Fluoreszenzfarbstoffs eine kontrastreiche oder Kontrast-variable Häufigkeitsverteilung über die Ausdehnung des Probenmaterials hinweg, die im weiteren Ablauf des Verfahrens für eine präzise Co-Registrierung genutzt werden kann. Für die Zwecke der Co-Registrierung ist diese umfassende Verteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das gesamte Probenmaterial hinweg günstig, da gewährleistet werden kann, dass alle Flächenbereiche des Probenmaterials genug Stützstellen oder Ankerpunkte für eine effiziente Ausführung von mathematischen Operationen des räumlichen Aufeinander-Abbildens aufweisen. [0057] The sample material on the sample carrier 6 comprises a substance capable of fluorescence; for example, the sample material can be treated with an extrinsic fluorescent dye before measurement. The fluorescent dye can, for example, have good excitation properties in a wavelength range that corresponds to a preferred excitation wavelength of a matrix substance for matrix-assisted ionization, particularly preferably in the MALDI format, with which the sample material has been prepared. This excitation wavelength range can, for example, be between 300 and 400 nanometers, in particular between 330 and 360 nanometers. The fluorescent dye can bind preferentially to certain molecules of the sample material, while being less sensitive to other molecules of the sample material. In cells, for example, the fluorescent dye can preferentially attach to certain features of a cell, e.g., the cell walls or the cell nucleus, while exhibiting little tendency to bind to surrounding parts of the cell. In this way, the application of the fluorescent dye results in a high-contrast or contrast-variable frequency distribution across the sample material, which can be used for precise co-registration in the further course of the procedure. For the purposes of co-registration, this comprehensive distribution of at least one fluorescent substance across the entire sample material, as it can be ensured that all surface areas of the sample material have enough support points or anchor points for efficient execution of mathematical operations of spatial mapping.

[0058] Neben dem örtlichen Abtrag von Probenmaterial regt ein Energieschub 4 gleichzeitig eine örtliche Fluoreszenzantwort im Probenmaterial an. Diese Fluoreszenzantwort kann sich in der Aussendung von Fluoreszenzlicht äußern (schematisch bei 16). Das Fluoreszenzlicht wird regelmäßig niedrigere Energie aufweisen als das für die Anregung verwendete Licht, also eine niedrigere Frequenz und größere Wellenlänge. Im Fall eines gepulsten UV-Lasers kann das Fluoreszenzlicht beispielsweise im sichtbaren Spektralbereich ausgestrahlt werden. Das Fluoreszenzlicht kann grundsätzlich in alle Richtungen ausgesandt werden. Bezüglich eines Probenträgers für die gleichzeitige ionenspektrometrische Analyse gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, Fluoreszenzlicht nachzuweisen: im Auflicht oder im Durchlicht (in Transmission), letzteres natürlich nur dann, wenn ein entsprechend transparenter und lichtdurchlässiger Probenträger verwendet wird, beispielsweise ein Indium -Zinnoxid-Glasobjektträger. In Abbildung 1 ist ein Nachweis im Auflicht schematisch veranschaulicht. [0058] In addition to the local ablation of sample material, an energy burst 4 simultaneously excites a local fluorescence response in the sample material. This fluorescence response can manifest itself in the emission of fluorescent light (schematically shown at 16). The fluorescent light will usually have lower energy than the light used for excitation, i.e., a lower frequency and longer wavelength. In the case of a pulsed UV laser, for example, the fluorescent light can be emitted in the visible spectral range. The fluorescent light can, in principle, be emitted in all directions. With regard to a sample carrier for simultaneous ion spectrometric analysis, there are basically two ways to detect fluorescent light: in reflected light or in transmitted light (in transmission). The latter, of course, only if a correspondingly transparent and translucent sample carrier is used, for example, an indium-tin oxide glass slide. Figure 1 schematically illustrates detection in reflected light.

[0059] Da der Energieschub 4 in Form des gepulsten Laserstrahls in Abbildung 1 im Auflicht unter einem Winkel zu einer Flächennormalen des Probenträgers 6 auf das Probenmaterial einfällt und die lonenextraktion 8 substantiell entlang der Flächennormalen erfolgt, kann die Nachweisachse für das Fluoreszenzlicht ebenfalls unter einem Winkel zur Flächennormalen erfolgen und der Einfallsachse des gepulsten Laserstrahls beispielsweise substantiell diametral gegenüberliegen. Entlang der Nachweisachse kann eine kollimierende Linse 18 oder ein entsprechendes Linsensystem liegen, die das in die optische Apertur einfallende Licht parallelisiert. Ein Filter 20 kann Lichtanteile, die für den Nachweis des Fluoreszenzlichts nicht notwendig sind, aus dem Strahlengang herausnehmen. Beispielsweise lassen sich Lichtanteile vom Anregungslicht des gepulsten Lasers, die von der Oberfläche des Probenmaterials reflektiert werden, herausfiltern. Im Falle eines gepulsten UV-Lasers kann beispielsweise ein Langpassfilter verwendet werden, da die Fluoreszenzlichtanteile substantiell niedrigere Frequenz und größere Wellenlänge aufweisen. [0059] Since the energy burst 4 in the form of the pulsed laser beam in Figure 1 is incident on the sample material in reflected light at an angle to a surface normal of the sample carrier 6, and the ion extraction 8 occurs substantially along the surface normal, the detection axis for the fluorescent light can also be at an angle to the surface normal and, for example, substantially diametrically opposite the incidence axis of the pulsed laser beam. A collimating lens 18 or a corresponding lens system can be located along the detection axis, which parallelizes the light entering the optical aperture. A filter 20 can remove light components that are not necessary for detecting the fluorescent light from the beam path. For example, light components from the excitation light of the pulsed laser that are reflected from the surface of the sample material can be filtered out. In the case of a pulsed UV laser, for example, a long-pass filter can be used because the fluorescent light components have a substantially lower frequency and longer wavelength.

[0060] Hinter dem Filter 20 kann entlang der Nachweisachse ein weiterer Filter 22 angeordnet sein, der eine optionale lichtoptische Beobachtung der Abläufe am Probenmaterial auf dem Probenträger 6 in Echtzeit ermöglicht. Zu diesem Zweck kann der weitere Filter 22 als Bandpassfilter ausgelegt sein, der einen Fluoreszenzlichtanteil zu einem Photonenempfänger 24 für die Aufzeichnung der Fluoreszenzlichtantwort umlenkt und einen weiteren Teil über eine abbildende Linse 26 oder ein entsprechendes Linsensystem zu einer Kamera 28 durchlässt, deren erfasste Bilddaten beispielsweise auf einem Bildschirm zur Überwachung und Prozesskontrolle angezeigt werden können. Die gestrichelten Umrisse deuten an, dass die Echtzeit-Überwachung durch eine Kamera 28 optional ist. [0060] Behind the filter 20, a further filter 22 can be arranged along the detection axis, which allows an optional light-optical observation of the processes on the sample material on the sample carrier 6 in real time. For this purpose, the further filter 22 can be designed as a bandpass filter, which deflects a portion of the fluorescent light to a photon receiver 24 for recording the fluorescent light response and a further portion via an imaging lens 26 or a corresponding lens system passes through to a camera 28, whose captured image data can be displayed, for example, on a screen for monitoring and process control. The dashed outlines indicate that real-time monitoring by a camera 28 is optional.

[0061] Auf dem Weg des umgelenkten Lichtanteils, der trotz der räumlichen Richtungsänderung in diesem Beispiel immer noch als auf der Nachweisachse befindlich anzusehen ist, können ein optionaler Schmalbandfilter 30, der sehr präzise auf eine Fluoreszenzlichtwellenlänge ausgelegt sein kann und gegebenenfalls störende Restlichtanteile herausfiltert, eine abbildende Linse 32, die den einfallenden parallelen Lichtstrahl auf den Photonenempfänger 24 fokussiert, oder ein entsprechendes Linsensystem sowie eine optionale Lochblende 34 zur Rauschreduzierung angeordnet sein. Der Photonenempfänger 24 kann eine Kamera, einen Photovervielfacher oder ein Photospektrometer aufweisen, letzteres ergibt natürlich nur dann Sinn, wenn optische Baugruppen im vorherigen Strahlengang nicht auf eine zu schmalbandige Verengung des durchgelassenen Wellenlängen- oder Frequenzbereichs ausgelegt sind. Ein Photovervielfacher oder ein Photospektrometer können jeweils direkt oder über einen zwischengeschalteten Lichtwellenleiter (nicht gezeigt), z.B. eine optische Faser, ausgeleuchtet werden. Ein flexibler Lichtwellenleiter erhöht die Wahlmöglichkeiten, wie man die einzelnen optischen Baugruppen anordnen kann. [0061] On the path of the deflected light component, which, despite the spatial change in direction in this example, is still considered to be on the detection axis, an optional narrowband filter 30, which can be very precisely designed for a fluorescent light wavelength and, if necessary, filters out interfering residual light components, an imaging lens 32, which focuses the incident parallel light beam onto the photon receiver 24, or a corresponding lens system, as well as an optional pinhole 34 for noise reduction can be arranged. The photon receiver 24 can have a camera, a photomultiplier, or a photospectrometer; the latter, of course, only makes sense if optical components in the previous beam path are not designed for an excessively narrowband narrowing of the transmitted wavelength or frequency range. A photomultiplier or a photospectrometer can each be illuminated directly or via an intermediate optical waveguide (not shown), e.g., an optical fiber. A flexible optical fiber increases the options for how the individual optical components can be arranged.

[0062] Wegen der gleichzeitigen Erzeugung von Molekülionen aus dem Probenmaterial und Anregung einer Fluoreszenzantwort vom Probenmaterial entsprechen Lagekoordinaten sowie Ortsauflösung der erfassten Fluoreszenzlichtdaten den Lagekoordinaten und der Ortsauflösung der ionenspektrometrischen Analysedaten und bestimmen sich im Wesentlichen über die Abmessung der Auftrefffläche des Energieschubs, z.B. den Durchmesser des Lichtflecks eines gepulsten UV-Lasers, und gegebenenfalls über die räumliche Zusammenfassung der Molekülinformation vom Probenmaterial in Bildelementen oder Pixeln, die häufig zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von benachbarten Auftreffflächen am Probenmaterial aufaddiert werden, z.B. bei der bildgebenden MALDI-Massenanalyse. [0062] Due to the simultaneous generation of molecular ions from the sample material and excitation of a fluorescence response from the sample material, the position coordinates and spatial resolution of the acquired fluorescent light data correspond to the position coordinates and spatial resolution of the ion spectrometric analysis data and are essentially determined by the dimension of the impact area of the energy burst, e.g. the diameter of the light spot of a pulsed UV laser, and optionally by the spatial summary of the molecular information from the sample material in image elements or pixels, which are often added together to improve the signal-to-noise ratio of adjacent impact areas on the sample material, e.g. in imaging MALDI mass analysis.

[0063] Zusätzlich zu der gleichzeitigen Erfassung von ionenspektrometrischen Daten und Fluoreszenzantwortdaten wird das Probenmaterial separat einer hochauflösenden Fluoreszenzanalyse unterworfen (schematisch bei Pfeil 36), die vorzugsweise vor der ionenspektrometrischen Analyse stattfindet, allerdings grundsätzlich auch nach dieser erfolgen kann, sofern das Probenmaterial und die mindestens eine Fluoreszenz-fähige Substanz am Probenmaterial durch die ionenspektrometrische Analyse noch nicht verbraucht oder unbrauchbar gemacht sind. Räumliche Auflösungen von hochauflösenden Fluoreszenzbilddaten können in einem Bereich von Nanometern liegen der gewählt ist aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: <1000 Nanometer, <500 Nanometer, <300 Nanometer, <100 Nanometer, <50 Nanometer, oder unterhalb jeder anderen Obergrenze von maximal 1000 Nanometern. Ein Beispiel für ein hochauflösendes Mikroskop ist Nikon Eclipse 90i (Nikon Instruments Inc., Melville, New York). [0063] In addition to the simultaneous acquisition of ion spectrometric data and fluorescence response data, the sample material is separately subjected to a high-resolution fluorescence analysis (schematically at arrow 36), which preferably takes place before the ion spectrometric analysis, but can in principle also take place after this, provided that the sample material and the at least one fluorescence-capable substance on the sample material have not yet been consumed or rendered unusable by the ion spectrometric analysis. are made. Spatial resolutions of high-resolution fluorescence image data can be in a range of nanometers selected from the group comprising or consisting of: <1000 nanometers, <500 nanometers, <300 nanometers, <100 nanometers, <50 nanometers, or below any other upper limit of 1000 nanometers. An example of a high-resolution microscope is the Nikon Eclipse 90i (Nikon Instruments Inc., Melville, New York).

[0064] Nach den Messungen liegen grundsätzlich drei Datensätze vor: ionenspektrometri- sche Daten, die Molekülgehaltsinformation und Molekülverteilungsinformation aus den Bildelementen oder Pixeln am Probenmaterial beinhalten; Fluoreszenzantwortdaten, die substantiell gleichzeitig mit den ionenspektrometrischen Daten auf dem gleichen räumlichen Raster erfasst wurden und Information über die Häufigkeitsverteilung wenigstens einer Fluoreszenz-fähigen Substanz am Probenmaterial beinhalten; und hochaufgelöste Fluoreszenzbilddaten, die Verteilungsinformation der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz mit einer substantiell höheren räumlichen Auflösung und gegebenenfalls erfasst auf einem abweichenden räumlichen Raster aufweisen. Es versteht sich, dass es für eine integrative Auswertung dieser Daten am günstigsten ist, wenn die hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten, die sehr detaillierte Information über die Anordnung sichtbarer Merkmale des Probenmaterials aufweisen, und die ionenspektrometrischen Daten, die den Molekülgehalt des Probenmaterials wiedergeben, co-registriert und verarbeitet werden. Wegen der unterschiedlichen Datenaufnahmemodalitäten, der häufig stark abweichenden räumlichen Auflösungen und der gegebenenfalls unterschiedlichen Einspannungen während der Datenerfassung kann die Co-Registrie- rung eine Herausforderung darstellen. Insbesondere kann die Datenqualität insbesondere bezüglich Positionstreue nach der Zusammenführung wegen der erforderlichen Rechner-gestütz- ten Anpassungsprozesse leiden. [0064] After the measurements, three data sets are generally available: ion spectrometric data, which contain molecular content information and molecular distribution information from the image elements or pixels on the sample material; fluorescence response data, which were acquired substantially simultaneously with the ion spectrometric data on the same spatial grid and contain information about the frequency distribution of at least one fluorescent substance on the sample material; and high-resolution fluorescence image data, which contain distribution information of the at least one fluorescent substance with a substantially higher spatial resolution and optionally acquired on a different spatial grid. It is understood that for an integrative evaluation of this data, it is most advantageous if the high-resolution fluorescence image data, which contain very detailed information about the arrangement of visible features of the sample material, and the ion spectrometric data, which represent the molecular content of the sample material, are co-registered and processed. Due to the different data acquisition modalities, the often significantly different spatial resolutions, and the potentially different clamping systems during data acquisition, co-registration can be challenging. In particular, data quality, particularly with regard to positional accuracy, can suffer after merging due to the required computer-aided adjustment processes.

[0065] Die gleichzeitig mit den ionenspektrometrischen Daten erfassten Fluoreszenzantwortdaten bilden ein geeignetes Bindeglied zwischen den ionenspektrometrischen Daten und den hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten, die eine höhere Datenqualität bei der Zusammenführung der verschiedenen Modalitäten erlauben: sie wurden in jedem Fall in der gleichen Einspannung des Probenträgers erfasst und weisen daher intrinsisch die gleichen Lagekoordinaten wie die ionenspektrometrischen Daten auf; sie enthalten die Häufigkeitsverteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz, z.B. Fluoreszenzlichtintensität in einem schmalbandigen Wellenlängenbereich pro Bildelement oder Pixel, die mit der Häufigkeitsverteilung der gleichen wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz in den hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten übereinstimmen muss, die mit dem hochauflösenden Fluoreszenzbild- Empfänger erzeugt werden. Ein Abgleichen und aneinander Ausrichten der Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten, die mit hoher Genauigkeit möglich sind, richtet gleichzeitig die hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten mit den ionenspektrometrischen Daten, die mit den Fluoreszenzantwortdaten bezüglich Ortsauflösung und Lagekoordinaten inhärent gekoppelt sind, aus und bildet sie aufeinander ab. [0065] The fluorescence response data acquired simultaneously with the ion spectrometric data form a suitable link between the ion spectrometric data and the high-resolution fluorescence image data, which allow a higher data quality when combining the different modalities: they were in each case acquired in the same clamping of the sample carrier and therefore intrinsically have the same position coordinates as the ion spectrometric data; they contain the frequency distribution of the at least one fluorescent substance, e.g. fluorescent light intensity in a narrow-band wavelength range per image element or pixel, which corresponds to the frequency distribution of the same at least one fluorescent substance in the high-resolution Fluorescence image data generated with the high-resolution fluorescence image receiver must match. Aligning and aligning the fluorescence response data and the fluorescence image data, which is possible with high accuracy, simultaneously aligns and maps the high-resolution fluorescence image data with the ion spectrometric data, which are inherently coupled to the fluorescence response data in terms of spatial resolution and positional coordinates.

[0066] Abbildung 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, das dem in Abbildung 1 gezeigten sehr ähnlich ist. Daher wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus Abbildung 1 eingegangen. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen die gleichen Baugruppen in den beiden Abbildungen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass Fluoreszenzlicht, das als Antwort auf die örtliche Anregung des Probenmaterials durch einen Energieschub 4, ausgesendet wird, nicht im Auflicht, sondern im Durchlicht durch einen geeignet transparenten und lichtdurchlässigen Probenträger 6 hindurch erfasst wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Bereich der lonenquelle, in dem Probenmaterialabtrag, lonenerzeugung und lonenextraktion stattfinden, frei von optischen Baugruppen gehalten werden kann, die für den Nachweis der Fluoreszenzantwort benötigt werden. Darüber hinaus erlaubt die Ausführung im Durchlicht die Beobachtung mit hoher numerischer Apertur und entlang einer Achse, die substantiell senkrecht zur Ausdehnung des Probenträgers 6 steht und daher weniger geometrische Verzerrung erfährt. [0066] Figure 2 illustrates an embodiment very similar to that shown in Figure 1. Therefore, only the differences from the first embodiment in Figure 1 will be discussed below. The same reference numerals identify the same components in both figures. The essential difference is that fluorescent light, which is emitted in response to the local excitation of the sample material by an energy burst 4, is not detected in reflected light, but in transmitted light through a suitably transparent and translucent sample carrier 6. This embodiment has the advantage that the area of the ion source, in which sample material removal, ion generation, and ion extraction take place, can be kept free of optical components required for detecting the fluorescence response. Furthermore, the transmitted-light embodiment allows observation with a high numerical aperture and along an axis that is substantially perpendicular to the extent of the sample carrier 6 and therefore experiences less geometric distortion.

[0067] In Weiterführung der in Abbildungen 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele können auch weitere Anordnungen von Anregung einer Fluoreszenzantwort und Erfassung von Fluoreszenzantwortdaten gleichzeitig mit der Erfassung von ionenspektrometrischen Daten umgesetzt werden. In einer nicht veranschaulichten Ausführung kann der Energieschub für die Anregung einer Fluoreszenzantwort am Probenmaterial im Durchlicht durch den Probenträger hindurch auf das Probenmaterial einfallen (in Transmission). Dabei handelt es sich um ein insbesondere in der MALDI-Bildgebung lange etabliertes Verfahren, siehe beispielsweise die Studie von Andre Zavalin et al. (J Mass Spectrom. 2012 Nov; 47(11): i). Die Anregung im Durchlicht kann kombiniert werden mit einer Fluoreszenzantwortdatenerfassung im Auflicht, ähnlich wie in Abbildung 1 beispielhaft dargestellt, oder ebenfalls im Durchlicht, wie in Abbildung 2 beispielhaft dargestellt. In der letzteren Variante, bei der Anregung und Erfassung beide im Durchlicht erfolgen, ist es vorteilhaft, wenn Anregungsstrahl und Antwortstrahl gut voneinander getrennt werden. Eine erforderliche Anpassung des in Abbildung 2 gezeigten Strahlengangs unter Verwendung von Strahlteilern, passend gewählten Filtern und dichroitischen Spiegeln stellt für einen Fachmann der Optik jedoch keine größere Schwierigkeit dar. [0067] In continuation of the embodiments shown in Figures 1 and 2, other arrangements for excitation of a fluorescence response and acquisition of fluorescence response data can also be implemented simultaneously with the acquisition of ion spectrometric data. In an embodiment not illustrated, the energy burst for excitation of a fluorescence response on the sample material can be incident on the sample material in transmitted light through the sample carrier (in transmission). This is a long-established method, particularly in MALDI imaging, see, for example, the study by Andre Zavalin et al. (J Mass Spectrom. 2012 Nov; 47(11): i). Excitation in transmitted light can be combined with fluorescence response data acquisition in reflected light, similar to the example shown in Figure 1, or also in transmitted light, as shown in Figure 2. In the latter variant, where excitation and acquisition both occur in transmitted light, it is advantageous if the excitation beam and response beam are well separated from each other. A necessary adjustment of the system shown in Figure 2 However, the beam path using beam splitters, appropriately selected filters and dichroic mirrors does not pose any major difficulties for an optics expert.

[0068] Abbildung 3 illustriert, wie Fluoreszenzantwortdaten, die gleichzeitig mit einer io- nenspektrometri sehen Messung vom Probenmaterial erfasst werden und eine vergleichsweise niedrige räumliche (laterale) Auflösung aufweisen (in der Abbildung rechts), mit hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten, die vom gleichen Probenmaterial separat mit einem anderen Instrument mit einem eigenen Probenschacht erfasst wurden (in der Abbildung links), in einer xy -Ebene, welche parallel zur das Probenmaterial tragenden Probenträgerfläche liegt, co-re- gistriert werden können. Die unterschiedliche Ortsauflösung ist in den beiden Rastern durch verschiedene Bildelement- oder Pixelgrößen angedeutet. Die unterschiedliche Einspannung für die Messungen kann auch zu Effekten führen, die einer Verzerrung gleichkommen und daher in der Abbildung entsprechend angedeutet sind. Ein Algorithmus zum Abgleichen und aneinander Ausrichten der verschiedenen Aufnahmen der gleichen Modalität kann anstreben, die beiden Häufigkeitsverteilungen der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz mit größtmöglicher Übereinstimmung übereinanderzulegen. Dazu kann eine Transformation erstellt werden, die aus der Anwendung verschiedener mathematischer Operationen des Streckens, Stauchens und/oder Drehens resultiert. Diese mathematischen Verknüpfungsoperationen können einheitlich über die gesamten Bilddaten und Antwortdaten angewendet werden (affin), oder sie können Flächensegment- oder Flächenabschnittsweise berechnet werden (elastisch), um eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen den Häufigkeitsverteilungen der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz zu erzielen. [0068] Figure 3 illustrates how fluorescence response data acquired simultaneously with an ion spectrometric measurement of the sample material and having a comparatively low spatial (lateral) resolution (in the figure on the right) can be co-registered with high-resolution fluorescence image data acquired separately from the same sample material using a different instrument with its own sample well (in the figure on the left) in an xy plane that is parallel to the sample support surface carrying the sample material. The different spatial resolution is indicated in the two grids by different image element or pixel sizes. The different clamping for the measurements can also lead to effects that amount to distortion and are therefore indicated accordingly in the figure. An algorithm for comparing and aligning the different images of the same modality can aim to overlay the two frequency distributions of the at least one fluorescent substance with the greatest possible agreement. For this purpose, a transformation can be created that results from the application of various mathematical operations such as stretching, compressing, and/or rotating. These mathematical operations can be applied uniformly across the entire image data and response data (affine), or they can be calculated area-by-area segment or area-by-area segment (elastic) to achieve the best possible match between the frequency distributions of the at least one fluorescent substance.

[0069] Als Beispiel für affine Transformationen können Operationen wie z.B. Drehung (Rotation), Skalierung, Scherung, Stauchung oder Verschiebung und Kombinationen dieser Operationen angesehen werden. Affine Transformationen können durch eine Transformationsmatrix dargestellt werden. Elastische Transformationen erlauben zusätzlich den Ausgleich von Verzerrungen und Deformationen. Als Beispiel für eine elastische Transformation kann die thin plate spline-M o genannt werden. Elastische Transformationen lassen sich im Allgemeinen nicht durch eine Transformationsmatrix darstellen, sondern werden über polyno- miale Anpassungen oder Vektorfelder gelöst. [0069] Examples of affine transformations include operations such as rotation, scaling, shearing, compression, or translation, and combinations of these operations. Affine transformations can be represented by a transformation matrix. Elastic transformations also allow for the compensation of distortions and deformations. The thin plate spline-Mo is an example of an elastic transformation. Elastic transformations generally cannot be represented by a transformation matrix, but are solved using polynomial fits or vector fields.

[0070] Vorzugsweise werden die unterschiedlichen Ortsauflösungen der räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten und der hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten einander angeglichen. Dies kann erreicht werden, indem man die hochaufgelösten Bilddaten auf die niedrigere räumliche Auflösung der Antwortdaten abbildet, z.B. durch Zusammenfassung von Bildinformation aus einzelnen Bildelementen oder Pixeln, gegebenenfalls unterstützt durch mathematische Operationen, die Interpolation, Extrapolation und/oder Regression anwenden. [0070] Preferably, the different spatial resolutions of the spatially resolved fluorescence response data and the high-resolution fluorescence image data are adjusted to each other. This can be achieved by mapping the high-resolution image data to the lower spatial resolution of the response data, e.g., by combining Image information from individual picture elements or pixels, possibly supported by mathematical operations that apply interpolation, extrapolation and/or regression.

[0071] Messbeispiel: Abbildung 4 zeigt Ergebnisse einer beispielhaften Messung. Die Messung wurde mit einem Massenspektrometer durchgeführt, dessen Aufbau dem in der Arbeit von Marcel Niehaus et al. (Nature Methods 2019, 16, 925-931, Transmission-mode MALDI-2 mass spectrometry imaging of cells and tissues at subcellular resolution) beschriebenen entspricht. Die laterale Ortsauflösung der massenspektrometrischen Messung betrug 5 Mikrometer Pixelgröße. Es wurde keine MALDI-2 -Nachionisation durchgeführt. Beim Probenmaterial handelte es sich um einen Kleinhimschnitt einer Maus und als Matrixsub stanz wurde DHAP verwendet. Das Probenmaterial wurde vor der Präparation mit Matrixsub stanz unter Verwendung von Hoechst33342 Fluoreszenzfarbstoff (gebunden an Zellkerne, UV-Anregung, Emissionsmaximum bei 455 Nanometern) und Green Actin Tracker (gebunden an Actin-Filamente, Anregung bei 503 Nanometer, Emission bei 512 Nanometer) gefärbt. Dann wurden mit einem Slide Scanner in einer ersten Einspannung des Probenträgers hochauflösende Fluoreszenzbilder angefertigt (in Abbildung 4 links als externe, hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie bezeichnet), deren Daten in zwei Kanäle sortiert sind, einmal die Fluoreszenzdaten des Hoechst33342 (Fluoreszenzkanal 1) und einmal die Fluoreszenzdaten des Green Actin Tracker (Fluoreszenzkanal 2). Danach wurde die Matrixsub stanz per (Re-)Sublimation aufgetragen und die MALDI-MSI Messung in einer zweiten Einspannung des Probenträgers durchgeführt. [0071] Measurement example: Figure 4 shows the results of an example measurement. The measurement was performed using a mass spectrometer whose setup corresponds to that described in the work by Marcel Niehaus et al. (Nature Methods 2019, 16, 925-931, Transmission-mode MALDI-2 mass spectrometry imaging of cells and tissues at subcellular resolution). The lateral spatial resolution of the mass spectrometric measurement was 5 micrometers pixel size. No MALDI-2 post-ionization was performed. The sample material was a mouse cerebellum section, and DHAP was used as the matrix substance. Prior to preparation, the sample material was stained with matrix substance using Hoechst 33342 fluorescent dye (bound to cell nuclei, UV excitation, emission maximum at 455 nanometers) and Green Actin Tracker (bound to actin filaments, excitation at 503 nanometers, emission at 512 nanometers). High-resolution fluorescence images were then acquired using a slide scanner in a first clamping position of the sample carrier (referred to as external, high-resolution fluorescence microscopy in Figure 4 on the left). The data are sorted into two channels: the fluorescence data from Hoechst 33342 (fluorescence channel 1) and the fluorescence data from the Green Actin Tracker (fluorescence channel 2). The matrix substance was then applied by (re-)sublimation, and the MALDI-MSI measurement was performed in a second clamping position of the sample carrier.

[0072] Das als „MALDI-begleitende Fluoreszenz“ bezeichnete Signal halbrechts stellt die Signalintensität der Fluoreszenzantwort von Hoechst33342 beim MALDI-Prozess zwischen 450 und 460 Nanometern dar. Zur besseren Darstellung wurde dieses Signal auf die Gesamtintensität der Fluoreszenz an diesem Pixel normiert (äquivalent zu einer total ion count (TIC)-Normierung). Ganz rechts in Abbildung 4 sind Beispiele für gleichzeitig mit der begleitenden Fluoreszenzantwort erfasste ionenspektrometrische MALDI-Bilddaten dargestellt. Diese lassen sich zu einer Segmentierungsdarstellung (in der Abbildung rechts außen) zusammenfassen und verknüpfen. [0072] The signal on the far right, referred to as "MALDI-accompanying fluorescence," represents the signal intensity of the fluorescence response of Hoechst33342 during the MALDI process between 450 and 460 nanometers. For clarity, this signal has been normalized to the total fluorescence intensity at this pixel (equivalent to a total ion count (TIC) normalization). On the far right of Figure 4, examples of ion spectrometric MALDI image data acquired simultaneously with the accompanying fluorescence response are shown. These can be combined and linked to form a segmentation representation (far right in the figure).

[0073] Sofern die Co-Registrierung der hochaufgelösten Bilddaten und ionenspektrometri- schen Daten an Hand wenigstens einer Fluoreszenz-fähigen Substanz über Vermittlung der Fluoreszenzantwortdaten ausgeführt ist, lässt sich die Transformation, die die Lagekoordinaten der ionenspektrometrischen Daten auf diejenigen der hochaufgelösten Fluoreszenzbilddaten abbildet, natürlich auch auf mit anderen Fluoreszenz-fähigen Substanzen erzeugte Fluoreszenzbilddaten anwenden, die gleichzeitig mit den Daten der für die Berechnung der Transformation verwendeten Fluoreszenzbilder erfasst wurden. In dem gezeigten Beispiel ist es dann ebenso möglich, die ionenspektrometrischen Daten mit den Fluoreszenzbilddaten z.B. aus Fluoreszenzkanal 2 (Green Actin Tracker) zu co-registrieren. Dies kann sinnvoll sein, wenn unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe mit unterschiedlichen Molekülen im Probenmaterial binden, die wiederum unterschiedliche physiologische, biologische oder metabolitische Merkmale im Gewebeschnitt kennzeichnen. Auf diese Weise lassen sich im Rahmen dieser Offenbarung die ionenspektrometrischen Daten unter Vermittlung der gleichzeitig erfassten Fluoreszenzantwortdaten mit Fluoreszenzbilddaten einer Anzahl von Fluoreszenz-fähigen Substanzen abgleichen und aneinander ausrichten und insbesondere co-registrieren, die gewählt ist aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, oder jede andere geeignete ganze Zahl zwischen 1 und 20. [0073] If the co-registration of the high-resolution image data and ion spectrometric data is carried out on the basis of at least one fluorescence-capable substance via the fluorescence response data, the transformation that maps the position coordinates of the ion spectrometric data to those of the high-resolution fluorescence image data can of course also be applied to images generated with other fluorescence-capable substances Apply fluorescence image data acquired simultaneously with the data from the fluorescence images used to calculate the transformation. In the example shown, it is then also possible to co-register the ion spectrometric data with the fluorescence image data, for example, from fluorescence channel 2 (Green Actin Tracker). This can be useful when different fluorescent dyes bind to different molecules in the sample material, which in turn characterize different physiological, biological, or metabolic features in the tissue section. In this way, within the scope of this disclosure, the ion spectrometric data can be compared and aligned with one another and, in particular, co-registered with fluorescence image data of a number of fluorescence-capable substances, mediated by the simultaneously acquired fluorescence response data, which is selected from the group comprising or consisting of: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, or any other suitable integer between 1 and 20.

[0074] Die Erfindung ist vorstehend mit Bezug auf verschiedene besondere Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diverse Aspekte oder Details der beschriebenen Ausführungen geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin können die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen offenbarte Merkmale und Maßnahmen beliebig kombiniert werden, sofern dies einem Fachmann praktikabel erscheint. Überdies dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzbereichs, der ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche unter Berücksichtigung etwaig vorhandener Äquivalente definiert wird. [0074] The invention has been described above with reference to various specific embodiments. However, it is understood that various aspects or details of the described embodiments may be modified without departing from the scope of the invention. Furthermore, the features and measures disclosed in connection with different embodiments may be combined as desired, provided this appears practical to a person skilled in the art. Furthermore, the above description serves only to illustrate the invention and not to limit the scope of protection, which is defined exclusively by the appended claims, taking into account any existing equivalents.

Claims

Ansprüche Claims 1. Verfahren zum Analysieren von Probenmaterial, das auf einem Probenträger angeordnet ist und wenigstens eine Fluoreszenz-fähige Substanz aufweist, umfassend die Schritte:1. A method for analyzing sample material arranged on a sample carrier and containing at least one fluorescent substance, comprising the steps: (a) Erfassen räumlich aufgelöster, ionenspektrometri scher Daten vom Probenmaterial unter Verwendung von Energieschüben, die ausgelegt und geeignet sind, örtlich eine Fluoreszenzantwort der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz am Probenmaterial auszulösen, und gleichzeitig Erfassen von räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten vom Probenmaterial, die eine erste Ortsauflösung aufweisen; (a) acquiring spatially resolved ion spectrometric data from the sample material using energy bursts designed and suitable to locally trigger a fluorescence response of the at least one fluorescent substance on the sample material, and simultaneously acquiring spatially resolved fluorescence response data from the sample material having a first spatial resolution; (b) Erfassen von Fluoreszenzbilddaten vom Probenmaterial, die eine zweite Ortsauflö- sung aufweisen, welche substantiell größer als die erste Ortsauflösung ist; und (b) acquiring fluorescence image data from the sample material having a second spatial resolution that is substantially greater than the first spatial resolution; and (c) Abgleichen und aneinander Ausrichten der räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten. (c) Aligning and aligning the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten eine erste räumliche Häufigkeitsverteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das Probenmaterial hinweg enthalten und die Fluoreszenzbilddaten eine zweite räumliche Häufigkeitsverteilung der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz über das Probenmaterial hinweg enthalten, wobei für das Abgleichen und aneinander Ausrichten eine geringstmögliche Abweichung zwischen der ersten räumlichen Häufigkeitsverteilung und der zweiten räumlichen Häufigkeitsverteilung angestrebt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the spatially resolved fluorescence response data contain a first spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material and the fluorescence image data contain a second spatial frequency distribution of the at least one fluorescing substance across the sample material, wherein the smallest possible deviation between the first spatial frequency distribution and the second spatial frequency distribution is sought for the matching and aligning. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem Schritt (b) vor und/oder nach Schritt (a) ausgeführt wird. 3. A method according to claim 1 or claim 2, wherein step (b) is carried out before and/or after step (a). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Gewebeschnitt oder eine Zellkultur als Probenmaterial verwendet wird. 4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein a tissue section or a cell culture is used as sample material. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten und die Fluoreszenzbilddaten von wenigstens einer extrinsischen Fluoreszenz-fähigen Substanz, z.B. Hoechst33342, DAPI oder Calcein Blue, stammen, die dem Probenmaterial vor dem Erfassen der ionenspektrometrischen Daten, der Fluoreszenzantwortdaten und der Fluoreszenzbilddaten zugefügt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the spatially resolved fluorescence response data and the fluorescence image data originate from at least one extrinsic fluorescent substance, e.g. Hoechst 33342, DAPI or Calcein Blue, which is added to the sample material prior to the acquisition of the ion spectrometric data, the fluorescence response data and the fluorescence image data. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Energieschübe durch einen Pulslaser ausgelöst werden, der z.B. Laserpulse im ultravioletten Spektralbereich aussendet. 6. Method according to one of claims 1 to 5, in which the energy bursts are triggered by a pulsed laser which, for example, emits laser pulses in the ultraviolet spectral range. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Laserpulse im Auflicht oder im Durchlicht örtlich auf das Probenmaterial einfallen. 7. Method according to claim 6, wherein the laser pulses are incident locally on the sample material in incident light or transmitted light. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Probenmaterial vor Schritt (a) mit einer Matrixsub stanz präpariert wird, die für die Matrix-unterstützte Ionisierung geeignet ist, insbesondere die Matrix-unterstützte Laserdesorption und Ionisierung, MALDI. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the sample material is prepared before step (a) with a matrix substance suitable for matrix-assisted ionization, in particular matrix-assisted laser desorption and ionization, MALDI. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Fluoreszenzantwort Fluoreszenzlichtemission der wenigstens einen Fluoreszenz-fähigen Substanz umfasst, die lichtoptisch, z.B. unter Verwendung eines Mikroskops, nachgewiesen wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the fluorescence response comprises fluorescent light emission from the at least one fluorescing substance, which is detected light-optically, e.g. using a microscope. 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Fluoreszenzlichtemission in Form eines breitbandigen Spektrums oder schmalbandigen Wellenlängen-ZFrequenzbereichs, z.B. nach Filterung, lichtoptisch nachgewiesen wird. 10. Method according to claim 9, wherein the fluorescent light emission is detected light-optically in the form of a broadband spectrum or narrowband wavelength-Z frequency range, e.g. after filtering. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die ionenspektrometrischen Daten eine dritte räumliche Häufigkeitsverteilung wenigstens eines Moleküls von Interesse im Probenmaterial beinhalten, insbesondere gewählt aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus: Proteine, Peptide, Lipide, Saccharide, Nukleotide, Metabolite, Biopolymere. 11. Method according to one of claims 1 to 10, wherein the ion spectrometric data include a third spatial frequency distribution of at least one molecule of interest in the sample material, in particular selected from the group comprising or consisting of: proteins, peptides, lipids, saccharides, nucleotides, metabolites, biopolymers. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem für das Abgleichen und aneinander Ausrichten die zweite Ortsauflösung der Fluoreszenzbilddaten und die erste Ortsauflösung der Fluoreszenzantwortdaten einander angeglichen werden, z.B. durch Herunterskalieren der zweiten Ortsauflösung. 12. Method according to one of claims 1 to 11, wherein for the adjustment and alignment, the second spatial resolution of the fluorescence image data and the first spatial resolution of the fluorescence response data are adjusted to each other, e.g. by downscaling the second spatial resolution. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Ergebnis des Abgleichens und aneinander Ausrichtens verwendet wird, um die ionenspektrometrischen Daten und die Fluoreszenzbilddaten räumlich zu co-registrieren, z.B. unter Verwendung einer Transformationsmatrix, polynomialen Anpassung oder eines Vektorfelds. 13. A method according to any one of claims 1 to 12, wherein a result of the matching and aligning is used to spatially co-register the ion spectrometric data and the fluorescence image data, e.g. using a transformation matrix, polynomial fitting or a vector field. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die räumlich aufgelösten Fluoreszenzantwortdaten im Auflicht vom und/oder im Durchlicht durch den Probenträger erfasst werden. 14. Method according to one of claims 1 to 13, wherein the spatially resolved fluorescence response data are acquired in reflected light from and/or in transmitted light through the sample carrier. 15. System zum Analysieren von Probenmaterial, das auf einem Probenträger angeordnet ist und wenigstens eine Fluoreszenz-fähige Substanz aufweist, umfassend: 15. System for analyzing sample material arranged on a sample carrier and comprising at least one fluorescent substance, comprising: - einen lonenanalysator, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich aufgelöste, ionenspektrometrische Daten vom Probenmaterial zu erfassen; - an ion analyzer arranged and designed to measure spatially resolved, to collect ion spectrometric data from the sample material; - einen Fluoreszenzantwort-Empfänger, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich aufgelöste Fluoreszenzantwortdaten vom Probenmaterial zu erfassen; - a fluorescence response receiver arranged and designed to acquire spatially resolved fluorescence response data from the sample material; - einen Fluoreszenzbild-Empfänger, der angeordnet und ausgelegt ist, räumlich hochaufgelöste Fluoreszenzbilddaten vom Probenmaterial zu erfassen; und - a fluorescence image receiver arranged and designed to acquire spatially high-resolution fluorescence image data from the sample material; and - eine Prozessier-Einrichtung, die in Datenkommunikation mit dem lonenanaly sator, Fluoreszenzantwort-Empfänger und Fluoreszenzbild-Empfänger steht und dazu angeordnet und programmiert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen. - a processing device which is in data communication with the ion analyzer, fluorescence response receiver and fluorescence image receiver and is arranged and programmed to carry out a method according to one of claims 1 to 14. 16. System nach Anspruch 15, bei dem der lonenanalysator einen Massenanalysator, Mobili- tätsanaly sator oder kombinierten Mobilitäts-Massenanalysator aufweist. 16. The system of claim 15, wherein the ion analyzer comprises a mass analyzer, mobility analyzer, or combined mobility mass analyzer. 17. System nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei dem der Fluoreszenzantwort-Empfänger eine Kamera, einen Photo-Vervielfacher und/oder ein Photospektrometer aufweist, die insbesondere direkt oder unter Verwendung eines Lichtwellenleiters ausgeleuchtet werden. 17. System according to claim 15 or claim 16, wherein the fluorescence response receiver comprises a camera, a photomultiplier and/or a photospectrometer, which are illuminated in particular directly or using an optical fiber.
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