DE102004011691B4

DE102004011691B4 - Verfahren zur Massenspektrometrie

Info

Publication number: DE102004011691B4
Application number: DE200410011691
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Cheshire Bateman; Jeff Cheshire Brown
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: CA2460469A1; GB0405299D0; DE202004003748U1; GB2401243B; GB2401243A; CA2460469C; DE102004011691A1

Abstract

Verfahren zur Massenspektrometrie mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten elektrischen Feldbereichs zwischen wenigstens einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; Bereitstellen eines stromabwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordneten ersten feldfreien Bereichs; Bereitstellen eines Flugzeit-Massenanalysators mit einem Extraktionsbereich, wobei Ionen in stromabwärtiger Richtung durch den ersten feldfreien Bereich zu dem Flugzeit-Massenanalysator passieren; und zeitliches Variieren des Betrages eines ersten elektrischen Feldes, das an wenigstens einen Abschnitt des ersten elektrischen Feldbereichs angelegt ist durch Ändern des Potentials der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen, wobei der Betrag des ersten elektrischen Feldes mit der Zeit zunimmt, abnimmt, oder sich mit der Zeit sinusförmig oder kosinusförmig ändert, so dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die den ersten elektrischen Feldbereich durchlaufen, beschleunigt und/oder verzögert werden, so dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen zur gleichen Zeit an dem Extraktionsbereich ankommen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massenspektrometrie.
Es ist ein Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator in Kombination mit einer Elektrospray-Ionenquelle bekannt. Es ist bekannt, die Flugzeit von Ionen durch einen Flugbereich des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators zu messen. Weil der Flugbereich senkrecht zur Achse, entlang derer Ionen in den Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator eintreten, angeordnet ist, bleiben die Flugzeitmessungen durch den Flugbereich im Wesentlichen durch Änderungen der Längsgeschwindigkeit der Ionen unbeeinflusst. Die Entkopplung der Längsgeschwindigkeit der Ionen von der Flugzeitmessung führt zu einer höheren Massenmessgenauigkeit und einem höheren Massenauflösungsvermögen als bei axialen Flugzeit Massenanalysatoren, die in Zusammenhang mit gepulsten Ionenquellen, wie beispielsweise matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquellen (”MALDI-Ionenquellen”), verwendet werden.
Ein Nachteil der Verwendung eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators besteht jedoch darin, dass der Tastgrad für das Abtasten eines kontinuierlichen Ionenstrahls in einem MS-Betriebsmodus in der Hinsicht relativ begrenzt ist, dass zwischen 75% und 90% der Ionen in dem kontinuierlichen Ionenstrahl nicht extrahiert werden und daher nicht quer zum Ionenstrahl beschleunigt werden. Demgemäß gehen diese Ionen dem System verloren, wodurch die Gesamtempfindlichkeit des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators verringert wird und sich auch verhältnismäßig schlechte Detektionsgrenzen ergeben.
Wenn eine gepulste Ionenquelle in der Art einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) in Zusammenhang mit einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator verwendet wird, wird der Ionenverlust gewöhnlich sogar noch schlechter. Die von einer MALDI-Ionenquelle erzeugten Ionen neigen dazu, unabhängig von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis im Wesentlichen die gleiche Ionenenergie zu haben, weshalb Ionen gewöhnlich mit Geschwindigkeiten von der MALDI-Ionenquelle emittiert werden, die umgekehrt proportional zur Wurzel des Masse-Ladungs-Verhältnisses der Ionen sind. Dementsprechend werden die von einer MALDI-Ionenquelle erzeugten Ionen gewöhnlich zerstreut und entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis zeitlich dispergiert, wenn sie aus der Ionenquelle austreten. Diese zeitliche Dispersion der Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis führt zusammen mit der Beschränkung, dass der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen Bruchteil eines in den Massenanalysator eintretenden Ionenstrahls abtasten kann, dazu, dass nur ein Teil des gesamten Masse-Ladungs-Verhältnis-Bereichs der in den Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator eintretenden Ionen in jedem Extraktionsimpuls abgetastet wird.
Ein bekannter Ansatz, bei dem versucht wird, dieses Problem zu adressieren, besteht in der Verwendung einer Ionenquelle mit verhältnismäßig niedriger kinetischer Energie (beispielsweise mit weniger als 100 eV) und im Kühlen der Ionen durch Kollisionen. Bei diesem Prozess wird ein Ionenimpuls wirksam in einen pseudokontinuierlichen Ionenstrahl umgewandelt, der besser für eine Verwendung mit einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator geeignet ist. Dieser Ansatz ist jedoch nicht vollkommen wirksam, weil der Ionenimpuls nicht in einen wirklich kontinuierlichen Strahl umgewandelt wird. Das Kollisionskühlen der Ionen kann auch Probleme hervorrufen, weil das Kollisionsgas mit den Analytionen reagieren kann und chemische Adduktionen bilden kann. Weiterhin neigt die bei MALDI-Ionenquellen verwendete Matrix dazu, ein erhebliches Maß an chemischem Rauschen zu erzeugen, wodurch die Ionendetektionsgrenze reduziert wird.
Ein Verfahren, um Ionen unterschiedlicher Masse-Ladungs-Verhältnisse zur gleichen Zeit in der Extraktionsregion eines Flugzeit-Massenanalysators eintreffen zu lassen, ist in der EP 1 315 196 A2 offenbart. Hierzu wird eine massenselektive Ionenfalle und ein dieser Ionenfalle nachgeordnetes konstantes elektrisches Feld vorgesehen. Ionen werden aus der Ionenfalle in umgekehrter Massenreihenfolge (d. h. von hoher zu niedriger Masse bzw. von hohen zu niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnissen) entlassen. Diese Ionen treffen dann im Extraktionsbereich zur selben Zeit ein, weil schnelle (kleinere) Ionen die langsameren (größeren) Ionen im Driftbereich einholen. Die Bereitstellung einer massenselektiven Ionenfalle, wie sie hierfür benötigt wird, ist jedoch aufwendig und teuer.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass eine bekannte Anordnung, die eine MALDI-Ionenquelle, eine Kollisions- oder Fragmentationszelle und ein Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator aufweist, vorteilhaft ist, wenn das Massenspektrometer in einem MS/MS-Betriebsmodus betrieben wird. Mit einer konstanten Energie von der Ionenquelle beschleunigte Ionen bewegen sich mit Geschwindigkeiten, die zur Wurzel ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses umgekehrt proportional sind. In einem MS-Betriebsmodus kommen nur Ionen mit im Wesentlichen dem gleichen Masse-Ladungs-Verhältnis oder Ionen mit einem verhältnismäßig schmalen Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen gleichzeitig am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators an und werden daher gepulst in den Flugbereich des Massenanalysators eingebracht. Dagegen haben in einem MS/MS-Betriebsmodus beispielsweise in einer Kollisionszelle stromabwärts der Ionenquelle und stromaufwärts des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs gebildete Fragmentionen im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit wie ihre entsprechenden Stammionen. Dementsprechend kommen in einem MS/MS-Betriebsmodus alle Fragmentionen eines bestimmten Stammions im Wesentlichen gleichzeitig zusammen mit allen entsprechenden unfragmentierten Stammionen am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators an. Die Zeit, zu der die Fragmentionen am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen, gleicht auch im Wesentlichen der Zeit, zu der das entsprechende Stammion an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich angekommen wäre, falls die entsprechenden Stammionen nicht fragmentiert worden wären. Daher enthalten die Massenspektren, die aufgezeichnet werden, wenn das Massenspektrometer in einem MS/MS-Betriebsmodus betrieben wird, vorteilhafterweise nur einen schmalen Bereich von Stammionen und alle Fragmentionen von diesen bestimmten Stammionen.
Es ist erwünscht, ein verbessertes Verfahren zur Massenspektrometrie bereitzustellen, das es ermöglicht, eine gepulste Ionenquelle in Zusammenhang mit einem Flugzeit-Massenanalysator in einem MS-Betriebsmodus wirksam zu betreiben.
Es ist auch erwünscht, ein Verfahren zur Massenspektrometrie bereitzustellen, das in einem MS-Betriebsmodus einen hohen Tastgrad aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme werden gelöst duch ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer mit einem ersten elektrischen Feldbereich und einem Flugzeit Massenanalysator mit einem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich betreibbar. In einem Betriebsmodus wird dafür gesorgt, dass eine Gruppe von Ionen mit erheblich verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen durch den ersten elektrischen Feldbereich läuft, wobei ein erstes elektrisches Feld, das sich zeitlich ändert, über wenigstens einen Abschnitt des ersten elektrischen Feldbereichs gelegt ist, so dass dafür gesorgt wird, dass zumindest einige Ionen mit erheblich verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen gleichzeitig an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen.
Vorzugsweise wird dafür gesorgt, dass wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder im Wesentlichen 100% der Ionen in der Ionengruppe im Wesentlichen zu der gleichen ersten Zeit an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Ionengruppe einen Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen, wobei der Bereich vorzugsweise wenigstens 10, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500 oder 10000 Masse-Ladungs-Verhältnis-Einheiten ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder im Wesentlichen 100% der im Wesentlichen zur gleichen ersten Zeit an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommenden Ionen anschließend aus dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich extrahiert oder beschleunigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform treten bei der Verwendung wenigstens einige Ionen mit einem ersten Masse-Ladungs-Verhältnis mit einer ersten Anfangsgeschwindigkeit in den ersten elektrischen Feldbereich ein und mit einer ersten Endgeschwindigkeit aus dem ersten elektrischen Feldbereich aus, wobei bei der Verwendung wenigstens einige Ionen mit einem zweiten verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnis mit einer zweiten Anfangsgeschwindigkeit in den ersten elektrischen Feldbereich eintreten und mit einer zweiten Endgeschwindigkeit aus dem ersten elektrischen Feldbereich austreten, wobei die erste Anfangsgeschwindigkeit größer ist als die zweite Anfangsgeschwindigkeit und die erste Endgeschwindigkeit kleiner ist als die zweite Endgeschwindigkeit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform treten Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen bei der Verwendung mit verschiedenen Anfangsgeschwindigkeiten in den ersten elektrischen Feldbereich ein und mit verschiedenen Endgeschwindigkeiten aus dem ersten elektrischen Feldbereich aus, wobei die Ionen mit den höchsten Anfangsgeschwindigkeiten die Ionen mit den geringsten Endgeschwindigkeiten sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform treten Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen bei der Verwendung mit verschiedenen Anfangsgeschwindigkeiten in den ersten elektrischen Feldbereich ein und mit verschiedenen Endgeschwindigkeiten aus dem ersten elektrischen Feldbereich aus, wobei die Ionen mit den geringsten Anfangsgeschwindigkeiten die Ionen mit den höchsten Endgeschwindigkeiten sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform treten wenigstens einige Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen mit einem ersten Geschwindigkeitsbereich in den ersten elektrischen Feldbereich ein und mit einem zweiten Geschwindigkeitsbereich aus dem ersten elektrischen Feldbereich aus, wobei der zweite Geschwindigkeitsbereich erheblich kleiner ist als der erste Geschwindigkeitsbereich.
Ionen mit einem ersten Masse-Ladungs-Verhältnis treten vorzugsweise vor Ionen mit einem zweiten Masse-Ladungs-Verhältnis aus dem ersten elektrischen Feldbereich aus, wobei das erste Masse-Ladungs-Verhältnis kleiner als das zweite Masse-Ladungs-Verhältnis ist. Das erste elektrische Feld kann so eingerichtet werden, dass bewirkt wird, dass Ionen mit einem ersten Masse-Ladungs-Verhältnis mit einer ersten Geschwindigkeit aus dem ersten elektrischen Feldbereich austreten und Ionen mit einem zweiten Masse-Ladungs-Verhältnis mit einer zweiten Geschwindigkeit aus dem ersten elektrischen Feldbereich austreten. Das zweite Masse-Ladungs-Verhältnis ist vorzugsweise größer als das erste Masse-Ladungs-Verhältnis. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Geschwindigkeit größer als die erste Geschwindigkeit. Die zweite Geschwindigkeit kann < 1%, 1–5%, 5–10%, 10–15%, 15–20%, 20–25%, 25–30%, 30–35%, 35–40%, 40–45%, 45–50%, 50–55%, 55–60%, 60–65%, 65–70%, 70–75%, 75–80%, 80–85%, 85–90%, 90–95% oder 95–100% größer als die erste Geschwindigkeit sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die zweite Geschwindigkeit 100–200%, 200–300%, 300–400%, 400–500%, 500–600%, 600–700%, 700–800%, 800–900 %, 900–1000%, 1000–2000%, 2000–3000%, 3000–4000 %, 4000–5000%, 5000–6000%, 6000–7000%, 7000–8000 %, 8000–9000%, 9000–10000% oder > 10000% höher als die erste Geschwindigkeit sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Geschwindigkeit der ersten Geschwindigkeit im Wesentlichen gleichen bzw. gleich sein. Gemäß dieser Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, dass Ionen mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit aus dem ersten elektrischen Feldbereich austreten, so dass eine Quelle von Ionen konstanter Geschwindigkeit bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Feld so eingerichtet werden, dass bewirkt wird, dass unerwünschte Ionen, wie Matrix-, Hintergrund- oder Störionen, zu einer zweiten Zeit, die von derjenigen der gewünschten Ionen verschieden ist, an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen. Wenigstens einige der unerwünschten Ionen, die zu der zweiten verschiedenen Zeit an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen, werden vorzugsweise nicht anschließend in den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich extrahiert oder beschleunigt, so dass der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich als ein Massenfilter wirkt, so dass unerwünschte Ionen dem System verlorengehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kommen wenigstens einige der Ionen mit erheblich verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die im Wesentlichen zur gleichen ersten Zeit an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen, auch zur gleichen ersten Zeit an im Wesentlichen der gleichen Position oder dem gleichen Ort innerhalb des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs an.
Der erste elektrische Feldbereich kann zwischen wenigstens einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet werden, wobei bei der Verwendung das Potential entweder der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode zeitlich geändert werden kann. Die erste und/oder die zweite Elektrode kann eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden und/oder eine oder mehrere Gitterelektroden aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine oder mehrere ringförmige Elektroden, eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktupol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung oder eine Anzahl von Elektroden mit dadurch verlaufenden Öffnungen, von denen Ionen bei der Verwendung durchgelassen werden, aufweisen.
Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform kann das Massenspektrometer eine oder mehrere innerhalb des ersten elektrischen Feldbereichs angeordnete Elektroden aufweisen, wobei das Potential von wenigstens einer der einen oder mehreren Elektroden bei der Verwendung zeitlich geändert wird. Die eine oder die mehreren Elektroden können eine oder mehrere rohrförmige Elektroden, eine oder mehrere ringförmige Elektroden, eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktupol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung oder eine Anzahl von Elektroden mit dadurch verlaufenden Öffnungen, von denen Ionen bei der Verwendung durchgelassen werden, aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ändert sich der Betrag des ersten elektrischen Felds mit der Zeit, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen. Der Betrag des ersten elektrischen Felds kann mit der Zeit erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag des ersten elektrischen Felds mit der Zeit verringert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich der Betrag des ersten elektrischen Felds im Wesentlichen sinusförmig oder kosinusförmig mit der Zeit. Der Begriff ”sinusförmig” wird vorzugsweise allgemein verwendet und soll jede Funktion einschließen, die sich ähnlich einer Sinus- oder Kosinuswelle ändert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann sich der Betrag des ersten elektrischen Felds im Wesentlichen exponentiell mit der Zeit ändern. Gemäß anderen etwas weniger bevorzugten Ausführungsformen kann sich der Betrag des ersten elektrischen Felds nach anderen Funktionen mit der Zeit ändern und sich beispielsweise im Wesentlichen linear mit der Zeit, nach einer quadratischen Rampenfunktion mit der Zeit, nach einer kubischen Rampenfunktion mit der Zeit, nach einer Potenz-Rampenfunktion mit der Zeit, nach einer quadratischen Polynomfunktion oder einer Polynomfunktion höherer Ordnung mit der Zeit oder nach einer mehrstufigen Funktion mit der Zeit ändern.
Die Richtung des ersten elektrischen Felds ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Ionenbewegungsrichtung, wenngleich gemäß anderen weniger bevorzugten Ausführungsformen erwogen wird, dass das elektrische Feld in andere Richtungen weisen könnte. Gemäß einer Ausführungsform kann sich die Richtung des ersten elektrischen Felds ändern, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge des ersten elektrischen Feldbereichs kleiner als 1 mm, 1–2 mm, 2–3 mm, 3–4 mm, 4–5 mm, 5–6 mm, 6–7 mm, 7–8 mm, 8–9 mm, 9–10 mm oder größer als 10 mm.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform bewirkt das erste elektrische Feld das Verzögern wenigstens einiger der durch den ersten elektrischen Feldbereich laufenden Ionen. Alternativ oder zusätzlich kann das erste elektrische Feld bewirken, dass wenigstens einige der durch den ersten elektrischen Feldbereich laufenden Ionen beschleunigt werden.
Das bevorzugte Massenspektrometer weist weiter einen stromabwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordneten ersten feldfreien Bereich auf. Der erste feldfreie Bereich kann durch eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden gebildet sein (oder durch diese oder innerhalb von diesen bereitgestellt sein). Alternativ können andere Elektrodenanordnungen den ersten feldfreien Bereich bilden. Die Länge des ersten feldfreien Bereichs beträgt vorzugsweise ≤ 50 mm, ≥ 50 mm, ≥ 100 mm, ≥ 150 mm, ≥ 200 mm, ≥ 250 mm, ≥ 300 mm, ≥ 350 mm, ≥ 400 mm, ≥ 450 mm oder ≥ 500 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Kollisions- oder Fragmentationszelle im ersten feldfreien Bereich bereitgestellt sein. Vorzugsweise weist die Kollisions- oder Fragmentationszelle ein Gaskapillarenrohr oder eine andere Form eines rohrförmigen Gehäuses auf, worin sich vorzugsweise eine relativ kleine Bohrung befindet. Die Kollisions- oder Fragmentationszelle hat vorzugsweise einen kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt und gewährleistet vorzugsweise, dass darin ein Bereich relativ hohen Gasdrucks aufrechterhalten wird, ohne dass gleichzeitig zu viel Gas in die differentielle Pumpkammer leckt, in der die Kollisions- oder Fragmentationszelle bereitgestellt ist. Die Kollisions- oder Fragmentationszelle weist vorzugsweise keine Mittel zum radialen Einschließen der Ionen auf, so dass vorzugsweise keine Wechsel- oder HF-Spannungen an die Kollisions- oder Fragmentationszelle angelegt sind, um den radialen Einschluss von Ionen bereitzustellen.
Ein elektrostatischer Energieanalysator und/oder ein Massenfilter und/oder ein Ionengatter bzw. -gate kann stromaufwärts und/oder stromabwärts der Kollisions- oder Fragmentationszelle bereitgestellt sein. Das Massenfilter kann beispielsweise ein Magnetsektor-Massenfilter, ein HF-Quadrupol-Massenfilter oder ein Wien-Filter einschließen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Massenspektrometer weiter einen stromaufwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordneten zweiten elektrischen Feldbereich auf, wobei bei der Verwendung ein zweites elektrisches Feld über wenigstens einem Abschnitt des zweiten elektrischen Feldbereichs aufrechterhalten wird. Vorzugsweise bleibt das zweite elektrische Feld im Wesentlichen zeitlich konstant, während Ionen durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufen. Anschließend kann das elektrische Feld jedoch erhöht werden oder sich zeitlich ändern.
Das zweite elektrische Feld kann bewirken, dass wenigstens 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% oder im Wesentlichen 100% der durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufenden Ionen mit im Wesentlichen der gleichen kinetischen Energie aus dem zweiten elektrischen Feldbereich austreten. Vorzugsweise wird, während Ionen durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufen, eine Potentialdifferenz über wenigstens einem Abschnitt des zweiten elektrischen Feldbereichs aufrechterhalten, wobei die Potentialdifferenz < 50 V, 50–100 V, 100–150 V, 150–200 V, 200–250 V, 250–300 V, 300–350 V, 350–400 V, 400–450 V, 450–500 V, 500–600 V, 600–700 V, 700–800 V, 800–900 V, 900–1000 V, 1–2 kV, 2–3 kV, 3–4 kV, 4–5 kV oder größer als 5 kV ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge des zweiten Feldbereichs kleiner als 1 mm, 1–2 mm, 2–3 mm, 3–4 mm, 4–5 mm, 5–6 mm, 6–7 mm, 7–8 mm, 8–9 mm, 9–10 mm oder größer als 10 mm.
Gemäß einer Ausführungsform ändert sich das zweite elektrische Feld mit der Zeit, während Ionen durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform weist das Massenspektrometer weiter einen stromaufwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordneten zweiten feldfreien Bereich auf. Der zweite feldfreie Bereich ist vorzugsweise zwischen dem ersten elektrischen Feldbereich und dem zweiten elektrischen Feldbereich angeordnet. Vorzugsweise ist der zweite feldfreie Bereich durch eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden gebildet (oder durch diese oder innerhalb von diesen bereitgestellt). Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden wenigstens einige der durch den zweiten feldfreien Bereich laufenden Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis räumlich und/oder zeitlich getrennt. Die Länge des zweiten feldfreien Bereichs ist vorzugsweise kleiner als 10 mm, 10–20 mm, 20–30 mm, 30–40 mm, 40–50 mm, 50–60 mm, 60–70 mm, 70–80 mm, 80–90 mm, 90–100 mm oder größer als 100 mm.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform weist das Massenspektrometer weiter eine Längsbeschleunigungs-Gleichspannungslinse auf, die stromaufwärts des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs angeordnet ist.
Der effektive Extraktions- oder Beschleunigungsbereich gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist kleiner als bei herkömmlichen Anordnungen. Beispielsweise kann der effektive Extraktions- oder Beschleunigungsbereich weniger als 1 mm, 1–2 mm, 2–3 mm, 3–4 mm, 4–5 mm, 5–6 mm, 6–7 mm, 7–8 mm, 8–9 mm, 9–10 mm oder mehr als 10 mm lang sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die effektive Achsenlänge des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs einstellbar. Der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich kann eine Anzahl von Extraktions- oder Beschleunigungselektroden aufweisen, und die effektive Länge des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs kann durch Ändern der Anzahl der Extraktions- oder Beschleunigungselektroden, die zum Extrahieren oder Beschleunigen von Ionen verwendet werden, eingestellt werden.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine einstellbare Öffnung, einen einstellbaren Verschluss oder einen einstellbaren Strahlunterbrecher auf, der zwischen einer im Extraktions- oder Beschleunigungsbereich angeordneten Extraktions- oder Beschleunigungselektrode und einem stromabwärts des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs angeordneten Drift- oder Flugbereich angeordnet ist. In einem Betriebsmodus verhindert die einstellbare Öffnung, der einstellbare Verschluss oder der einstellbare Strahlunterbrecher im Wesentlichen dass wenigstens einige Ionen, die durch die Extraktions- oder Beschleunigungselektrode extrahiert oder beschleunigt worden sind, in den Drift- oder Flugbereich durchgelassen werden, oder dünnt diese erheblich aus. Die Größe, die Fläche, der Durchmesser, die Länge, die Breite oder der Transmissionskoeffizient der Öffnung, des Verschlusses oder des Strahlunterbrechers sind vorzugsweise einstellbar. Bei der Verwendung werden vorzugsweise wenigstens einige Stammionen in einer Fragmentations- oder Kollisionszelle in Fragmentionen fragmentiert, wobei Fragmentionen und ihre entsprechenden Stammionen mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit aus der Fragmentations- oder Kollisionszelle austreten und die Extraktions- oder Beschleunigungselektrode im Wesentlichen gleichzeitig erreichen. In dem Betriebsmodus werden mehrere Stammionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen und ihre entsprechenden Fragmentionen gleichzeitig in den Drift- oder Flugbereich extrahiert oder beschleunigt, und die einstellbare Öffnung, der einstellbare Verschluss oder der einstellbare Strahlunterbrecher verhindert im Wesentlichen, dass wenigstens einige Stammionen und ihre entsprechenden Fragmentionen in den Drift- oder Flugbereich durchgelassen werden, oder dünnt diese erheblich aus, während wenigstens einige andere Stammionen und ihre entsprechenden Fragmentionen in erheblichem Maße in den Drift- oder Flugbereich eingelassen oder durchgelassen werden.
Das Massenspektrometer kann aufweisen: eine Elektrosprayionisations-Ionenquelle (”ESI-Ionenquelle”), eine Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer Ionisation (”APCI-Ionenquelle”), eine Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle (”APPI-Ionenquelle”), eine Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”LDI-Ionenquelle”), eine induktiv gekoppelte Plasma-Ionenquelle (”ICP-Ionenquelle”), eine Elektronenstoß-Ionenquelle (”EI-Ionenquelle”), eine Ionenquelle mit chemischer Ionisation (”CI-Ionenquelle”), eine Feldionisations-Ionenquelle (”FI-Ionenquelle”), eine Ionenquelle mit schnellem Atombeschuß (”FAB-Ionenquelle”), eine Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie-Ionenquelle (”LSIMS-Ionenquelle”), eine Atmosphärendruckionisations-Ionenquelle (”API-Ionenquelle”) oder eine Felddesorptions-Ionenquelle (”FD-Ionenquelle”). Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Massenspektrometer eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) oder eine Desorption/Ionisation-auf-Silicium-Ionenquelle (”DIOS-Ionenquelle”) auf. Das Massenspektrometer kann entweder eine kontinuierliche oder eine gepulste Ionenquelle aufweisen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform schließt der Flugzeit-Massenanalysator einen Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator ein. Gemäß einer alternativen weniger bevorzugten Ausführungsform schließt der Flugzeit-Massenanalysator einen Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator ein.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit den folgenden Schritten realisierbar: Bereitstellen eines ersten elektrischen Feldbereichs, Bereitstellen eines Flugzeit-Massenanalysators mit einem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich und Ändern eines an wenigstens einen Abschnitt des ersten elektrischen Feldbereichs angelegten ersten elektrischen Felds. Das erste elektrische Feld wird so geändert, dass Ionen mit erheblich verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen, so beschleunigt und/oder verzögert werden, dass Ionen mit erheblich verschiedenen Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen gleichzeitig am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ändert sich der Betrag des ersten elektrischen Felds mit der Zeit, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen. Vorzugsweise nimmt der Betrag des ersten elektrischen Felds mit der Zeit zu. Gemäß einer anderen Ausführungsform nimmt der Betrag des ersten elektrischen Felds mit der Zeit ab. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ändert sich der Betrag des ersten elektrischen Felds im Wesentlichen sinusförmig oder kosinusförmig mit der Zeit.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer mit den folgenden Merkmalen vorteilhaft einsetzbar:
einer Fragmentations- oder Kollisionszelle,
einem Flugzeit-Massenanalysator mit einer Extraktions- oder Beschleunigungselektrode und einem Drift- oder Flugbereich, wobei die Extraktions- oder Beschleunigungselektrode Ionen bei der Verwendung in den Drift oder Flugbereich extrahiert oder beschleunigt, und
einer einstellbaren Öffnung, einem einstellbaren Verschluss oder einem einstellbaren Strahlunterbrecher, der zwischen der Extraktions- oder Beschleunigungselektrode und dem Drift- oder Flugbereich angeordnet ist, wobei in einem Betriebsmodus die einstellbare Öffnung, der einstellbare Verschluss oder der einstellbare Strahlunterbrecher wenigstens einige Ionen, die von der Extraktions- oder Beschleunigungselektrode extrahiert oder beschleunigt worden sind, im Wesentlichen daran hindert, in den Drift- oder Flugbereich weiterzulaufen, oder diese erheblich ausdünnt.
Der Flugzeit-Massenanalysator ist vorzugsweise ein Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator.
Die Größe, die Fläche, der Durchmesser, die Länge, die Breite oder der Transmissionskoeffizient der Öffnung, des Verschlusses oder des Strahlunterbrechers ist vorzugsweise einstellbar.
Bei der Verwendung werden vorzugsweise wenigstens einige Stammionen in der Fragmentations- oder Kollisionszelle in Fragmentionen fragmentiert, wobei Fragmentionen und ihre entsprechenden Stammionen mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit aus der Fragmentations- oder Kollisionszelle austreten und die Extraktions- oder Beschleunigungselektrode im Wesentlichen gleichzeitig erreichen. In dem Betriebsmodus werden vorzugsweise mehrere Stammionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen und ihre entsprechenden Fragmentionen gleichzeitig in den Drift- oder Flugbereich extrahiert oder beschleunigt, wobei die einstellbare Öffnung, der einstellbare Verschluss oder der einstellbare Strahlunterbrecher im Wesentlichen verhindert, dass wenigstens einige Stammionen und ihre entsprechenden Fragmentionen in den Drift- oder Flugbereich durchgelassen werden oder diese erheblich abschwächt, während wenigstens einige andere Stammionen und ihre entsprechenden Fragmentionen in erheblichem Maße in den Drift- oder Flugbereich eingelassen oder durchgelassen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit den folgenden Schritten realisierbar:
Bereitstellen einer Fragmentations- oder Kollisionszelle, eines Flugzeit-Massenanalysators mit einer Extraktions- oder Beschleunigungselektrode und einem Drift- oder Flugbereich und einer einstellbaren Öffnung, einem einstellbaren Verschluss oder einem einstellbaren Strahlunterbrecher, der zwischen der Extraktions- oder Beschleunigungselektrode und dem Drift- oder Flugbereich angeordnet ist,
Extrahieren oder Beschleunigen von Ionen in den Drift- oder Flugbereich und
Verwenden der einstellbaren Öffnung, des einstellbaren Verschlusses oder des einstellbaren Strahlunterbrechers, um wenigstens einige Ionen, die von der Extraktions- oder Beschleunigungselektrode extrahiert oder beschleunigt worden sind, im Wesentlichen daran zu hindern, in den Drift- oder Flugbereich weiterzulaufen, oder sie erheblich auszudünnen.
Der Flugzeit-Massenanalysator ist vorzugsweise ein Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator.
Das bevorzugte Massenspektrometer ist dafür geeignet, sowohl im MS- als auch im MS/MS-Betriebsmodus betrieben zu werden und koppelt eine gepulste Ionenquelle wirksam mit einem Massenanalysator, vorzugsweise einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator. Das bevorzugte Massenspektrometer ermöglicht es, MS- und MS/MS-Massenanalysedaten, verglichen mit herkömmlichen Anordnungen, mit hoher Empfindlichkeit, hoher Massenmessgenauigkeit und hoher Massenauflösung zu erhalten. Das bevorzugte Massenspektrometer ist in der Lage, den Tastgrad in einem MS-Betriebsmodus in einen Flugzeitbereich beschleunigter Stammionen zu erhöhen, ohne dass es erforderlich wäre, Ionen durch Kollisionen zu kühlen. Die bevorzugte Ausführungsform vermeidet daher jegliche Probleme, die in Zusammenhang mit der Bildung chemischer Adduktionen stehen, die während des Kollisionskühlens gebildet werden können, und die Detektionsgrenzen sind daher gegenüber herkömmlichen Anordnungen verbessert.
Die bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Massenspektrometer mit einem Tastgrad in einem MS-Betriebsmodus, das gegenüber herkömmlichen Massenspektrometern mit einer MALDI-Ionenquelle und einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator verbessert ist. Die bevorzugte Ausführungsform ist auch in der Lage, MS/MS-Spektren aufzuzeichnen und kann einen steuerbaren Verschluss oder eine steuerbare Öffnung verwenden, um die Spezifität zu verbessern, mit der ausgewählte Stammionen und ihre entsprechenden Fragmentionen quer in den Drift- oder Flugbereich des Flugzeit-Massenanalysators beschleunigt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dafür gesorgt, dass Ionen in einen elektrischen Feldbereich eindringen, der ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erfährt, das sich sinusförmig mit der Zeit ändern kann. Das zeitlich veränderliche elektrische Feld ist vorzugsweise so eingerichtet, dass wenigstens einige der durch den elektrischen Feldbereich laufenden Ionen beschleunigt und/oder verzögert werden, so dass dafür gesorgt wird, dass die vom elektrischen Feldbereich durchgelassenen Ionen im Wesentlichen gleichzeitig an einem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Flugzeit-Massenanalysatorbereichs ankommen. Es wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass sich das elektrische Feld zeitlich so ändert, dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen auf kinetische Energien beschleunigt werden, welche die Funktionsweise des Flugzeit-Massenanalysators optimieren.
Es wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass die Ionen beim Austreten aus dem elektrischen Feldbereich etwas verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen, so dass die Ionen alle, unabhängig von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis oder ihrer Anfangsgeschwindigkeit, im Wesentlichen gleichzeitig am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Quer- oder weniger bevorzugt Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Vorzugsweise kann das an den elektrischen Feldbereich angelegte zeitlich veränderliche elektrische Feld so eingerichtet werden, dass Ionen, die zu einer ersten Zeit durch den elektrischen Feldbereich laufen und diesen verlassen, zu einer etwas niedrigeren Geschwindigkeit beschleunigt oder verzögert werden als Ionen, die anschließend zu einer zweiten etwas späteren Zeit durch den elektrischen Feldbereich laufen und aus diesem austreten. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist ein feldfreier Bereich stromabwärts des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereichs angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform holen die Ionen, die den elektrischen Feldbereich zu der zweiten etwas späteren Zeit verlassen, vorzugsweise Ionen ein, die zuvor zu der ersten Zeit aus dem elektrischen Feldbereich ausgetreten sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können im Wesentlichen alle Ionen von einer gepulsten Quelle in der Art einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) in einem MS-Betriebsmodus zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators transportiert werden, so dass die Ionen im Wesentlichen gleichzeitig am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich ankommen. Vorteilhafterweise kann der Tastgrad in einem MS-Betriebsmodus für Ionen aller Masse-Ladungs-Verhältnisse auf im Wesentlichen 100% erhöht werden. Vorteilhafterweise gehen in einem MS-Betriebsmodus, wenn überhaupt, sehr wenige Ionen für das System verloren. Die bevorzugte Ausführungsform stellt daher einen erheblichen Fortschritt auf dem Fachgebiet dar. Dies wird vorzugsweise durch das Anlegen eines geeigneten zeitlich veränderlichen elektrischen Felds (geeigneter zeitlich veränderlicher elektrischer Felder) erreicht, die in einem oder mehreren elektrischen Feldbereichen bereitgestellt werden können, die dicht bei der Ionenquelle oder weniger bevorzugt tatsächlich innerhalb von dieser angeordnet sind.
Vorteilhafterweise hat die bevorzugte Ausführungsform die Fähigkeit, gleichzeitig MS/MS-Massenspektren von mehreren Stammionen aufzuzeichnen. Fragmentionen, die sich aus der Fragmentation einiger Stammionen, beispielsweise durch den Prozess des Nachquellenzerfalls (”PSD”), der kollisionsinduzierten Zerlegung (”CID”), der oberflächeninduzierten Dissoziation (”SID”) oder der Elektroneneinfangdissoziation (”ECD”) zwischen der Ionenquelle und dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ergeben, bewegen sich mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie ihre entsprechenden Stammionen. Die Fragmentionen kommen daher im Wesentlichen zur gleichen Zeit wie die entsprechenden Stammionen am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich an. Stammionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen und/oder unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten können einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld ausgesetzt werden, so dass sie im Wesentlichen gleichzeitig an einem Fragmentationsbereich (d. h. einer Fragmentationszelle) ankommen. Der Flugzeit-Massenanalysator kann dann ein Spektrum aller Stammionen und Fragmentionen mit einem vernachlässigbaren Ionenverlust aufnehmen. Gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht es das zeitlich veränderliche elektrische Feld, dass Stammionen, unabhängig vom Masse-Ladungs-Verhältnis, im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit erhalten, so dass die Kollisionsenergie im Schwerpunkt-Bezugsrahmen für alle Ionen nahezu gleich ist. Dies ist vorteilhaft, weil bei der kollisionsinduzierten Zerlegung (”CID”) die Kollisionsenergie für die Fragmentation besser optimiert ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, dass Stammionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen absichtlich etwas verschiedene Geschwindigkeiten erhalten, indem das zeitlich veränderliche elektrische Feld angelegt wird bzw. zeitlich veränderliche elektrische Felder angelegt werden, so dass die Stammionen im Wesentlichen gleichzeitig am Fragmentationsbereich ankommen. Diese verhältnismäßig geringe Verbreiterung der Ionengeschwindigkeiten ist vorzugsweise erheblich kleiner als die Verbreiterung der Ionengeschwindigkeiten der Stammionen vor dem Durchlaufen des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereichs.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei:
1 schematisch einen bevorzugten Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator zeigt,
2 einen Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt,
3A in vereinfachter Form einen Abschnitt eines bevorzugten Massenspektrometers zeigt, 3B das bevorzugte elektrische Potentialprofil entlang dem Abschnitt des Massenspektrometers zu einem Zeitpunkt zeigt und 3C ein an den zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich angelegtes sich exponentiell zeitlich änderndes elektrisches Feld gemäß einer Ausführungsform zeigt,
4A die resultierende Geschwindigkeit einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten zeigt, welche sowohl durch ein konstantes elektrisches Feld als auch durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschleunigt werden, und 4B die sich ergebende Dispersion der Ionen zeigt,
5A in vereinfachter Form einen Abschnitt einer weniger bevorzugten Ausführungsform mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich, der unmittelbar neben der Ionenquelle angeordnet ist, zeigt und 5B das elektrische Potentialprofil zeigt, das zu einem Zeitpunkt entlang dem zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich und einem anschließenden feldfreien Bereich angeordnet werden kann,
6A die sich ergebende Geschwindigkeit einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten zeigt, welche nur durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform beschleunigt werden, und 6B die sich ergebende Dispersion der Ionen zeigt,
7A die Geschwindigkeit einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten zeigt, die in herkömmlicher Weise auf eine konstante Energie beschleunigt worden sind, und 7B die sich ergebende Dispersion der Ionen zeigt,
8 das elektrische Potentialprofil entlang einem bevorzugten Massenspektrometer zu einem Zeitpunkt zeigt und
9A schematisch einen Abschnitt eines bestimmten bevorzugten Massenspektrometers zeigt, 9B das elektrische Potentialprofil entlang einem Abschnitt des bevorzugten Massenspektrometers zu drei verschiedenen Zeitpunkten zeigt und 9C ein bevorzugtes zeitlich veränderliches Potential mit einem sinusförmigen Profil zeigt, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an einen feldfreien Bereich angelegt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 zeigt ein bevorzugtes Massenspektrometer mit einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator. Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) 1 auf. Ionen 3 können von einer Target- oder Probenplatte 2 einer Ionenquelle 1 erzeugt werden und laufen vorzugsweise durch zwei getrennte elektrische Feldbereiche L₁, L₂. Die elektrischen Feldbereiche L₁, L₂ können innerhalb und/oder stromabwärts der Ionenquelle 1 angeordnet sein.
Der anfängliche elektrische Feldbereich L₁ ist vorzugsweise unmittelbar neben der Target oder Probenplatte 2 angeordnet. Das über den anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ aufrechterhaltene elektrische Feld bleibt vorzugsweise zumindest bis vorzugsweise im Wesentlichen alle Ionen 3 durch den anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ gelaufen sind, im Wesentlichen zeitlich konstant. Das elektrische Feld im anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ ist vorzugsweise so eingerichtet, dass die Ionen 3 bis auf eine im Wesentlichen konstante Energie beschleunigt werden. Es wird dann vorzugsweise dafür gesorgt, dass die Ionen 3 in einen anfänglichen feldfreien Bereich 8 (oder einen ersten Flugzeitbereich) eintreten, der stromabwärts des anfänglichen elektrischen Feldbereichs L₁ angeordnet ist. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 wirkt vorzugsweise als ein Drift- oder Flugbereich, in dem die Ionen 3, die den anfänglichen feldfreien Bereich 8 durchlaufen, zeitlich entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis getrennt werden können. Die Ionen 3 treten dann zu etwas verschiedenen Zeiten aus dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 aus und treten in einen weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein, der stromabwärts des anfänglichen elektrischen Feldbereichs L₁ und des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 angeordnet ist. Der weitere elektrische Feldbereich L₂ ist vorzugsweise kürzer als der anfängliche elektrische Feldbereich L₁. Ein elektrisches Feld wird vorzugsweise über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ aufrechterhalten, und das elektrische Feld ändert sich vorzugsweise zeitlich, während Ionen vom weiteren elektrischen Feldbereich L₂ durchgelassen werden. Ionen 3, die in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ (zu etwas verschiedenen Zeiten) eintreten, haben vorzugsweise einen Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen und Geschwindigkeiten.
Ionen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, die an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, bevor andere langsamere Ionen ankommen, werden gemäß der bevorzugten Ausführungsform so verzögert (oder beschleunigt), dass diese Ionen dann in einen anschließenden weiteren feldfreien Bereich 9 (oder zweiten Flugzeitbereich), der stromabwärts des weiteren elektrischen Feldbereichs L₂ angeordnet ist, eintreten und mit einer Endgeschwindigkeit, die etwas niedriger ist als diejenige der Ionen, die an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ zu einer etwas späteren Zeit und mit einer niedrigeren Geschwindigkeit ankommen, durch diesen laufen. Es wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass Ionen, die zu einer etwas späteren Zeit an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, so verzögert (oder beschleunigt) werden, dass diese Ionen einen Endgeschwindigkeit erhalten, die vorzugsweise etwas höher ist als die Endgeschwindigkeit der Ionen, die zu einer früheren Zeit an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ angekommen sind und die zuerst in den weiteren feldfreien Bereich 9 eingetreten sind. Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit der durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ laufenden Ionen in dem Sinne invertiert, dass schnellere Ionen vergleichsweise langsamer werden und langsamere Ionen vergleichsweise schneller werden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass Ionen, die etwas später an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, mit einer Geschwindigkeit aus diesem austreten, die es ihnen vorzugsweise ermöglicht, Ionen effektiv einzuholen, die vor ihnen aus dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ausgetreten sind. Gemäß einer Ausführungsform können die Ionen, die zunächst in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingetreten sind, verhältnismäßig stark verzögert werden, während die Ionen, die anschließend in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eintreten, weniger stark verzögert werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, dass im Wesentlichen alle Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ hindurchlaufen, im Wesentlichen zur gleichen Zeit beispielsweise an dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Quer- oder Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Weiterhin kann vorzugsweise dafür gesorgt werden, dass die Ionen 3 im Wesentlichen mit der gleichen Energie am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 ankommen. Weiterhin kann vorzugsweise auch dafür gesorgt werden, dass die Ionen 3 im Wesentlichen zur gleichen Zeit an im Wesentlichen dem gleichen relativ kleinen Bereich des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 ankommen. Gemäß weniger bevorzugten Ausführungsformen kann dafür gesorgt werden, dass die Ionen 3 an einem anderen Bereich als dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Beispielsweise kann weniger bevorzugt dafür gesorgt werden, dass die Ionen 3 an einer Ionenfalle, einer Kollisions- oder Fragmentationszelle oder einem anderen Typ eines Massenanalysators in der Art eines Quadrupol-Ionenfallen-Massenanalysators, im Wesentlichen zur gleichen Zeit ankommen.
Der Geschwindigkeitsunterschied, der den Ionen 3 aufgeprägt wird, wenn sie aus dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ austreten, ist vorzugsweise verhältnismäßig klein und kann beispielsweise von den relativen Längen des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 und des weiteren feldfreien Bereichs 9, d. h. den zwei Flugzeitbereichen, abhängen. Falls beispielsweise der weitere feldfreie Bereich 9, verglichen mit dem anfänglichen feldfreien Bereich 8, verhältnismäßig lang ist, kann der Bereich der Ionengeschwindigkeiten, der von den Ionen 3 erhalten wird, wenn sie aus dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ austreten, verhältnismäßig klein sein, weil die Ionen, die etwas später an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, eine längere Zeit haben, um die Ionen 3 einzuholen, die bereits in den weiteren feldfreien Bereich 9 eingetreten sind, so dass alle Ionen schließlich im Wesentlichen zur gleichen Zeit den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators erreichen.
2 zeigt, wie das gleiche Prinzip, das bei einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator, wie er mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, verwendet wird, alternativ bei einem Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator verwendet werden kann. Bei einem Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator werden in diesen eindringende Ionen 3 axial durch Elektroden 5' gepulst in den Drift- oder Flugbereich des Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanal0ysators eingebracht.
Gemäß den vorstehenden Ausführungsformen kann wahlweise eine Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 innerhalb oder als Teil des weiteren feldfreien Bereichs 9 bereitgestellt werden. Die Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 kann so eingerichtet werden, dass in einem Betriebsmodus wenigstens einige der durch den weiteren feldfreien Bereich 9 (d. h. den zweiten Flugzeitbereich) laufenden Ionen 3 innerhalb der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 zu Fragmentionen (oder Tochterionen) fragmentiert werden. Die sich ergebenden Fragmentionen laufen dann vorzugsweise im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der sich ihre entsprechenden Stammionen 3 bewegt haben, unmittelbar bevor sie fragmentiert wurden, durch den restlichen Teil des weiteren feldfreien Bereichs 9. Ähnlich laufen durch Nachquellenzerfall (”PSD”), wobei metastabile Stammionen spontan zu Fragmentionen zerfallen, gebildete Fragmentionen bei im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit weiter, bei der sich ihre entsprechenden Stammionen 3 unmittelbar vor ihrer spontanen Fragmentation bewegt haben. Demgemäß kommen Stammionen 3 und alle entsprechenden Fragmentionen vorzugsweise im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- und Beschleunigungsbereich 10 des Quer- oder Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators an. Wenn die Ionen 3 am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 ankommen, werden Elektroden 5, 5', die vorzugsweise neben dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 angeordnet sind, vorzugsweise gepulst oder auf andere Weise mit Energie versorgt, um Ionen 3 zu extrahieren oder in den Drift- oder Flugbereich des Quer- oder Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators zu beschleunigen.
Der Quer- oder Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator weist vorzugsweise einen Ionenspiegel oder ein Reflektron 6 und einen Ionendetektor 7 zum Detektieren von Ionen 3 auf. Der Ionendetektor 7 weist vorzugsweise einen Mikrokanalplatten-Ionendetektor auf, wenngleich weniger bevorzugt auch andere Typen von Ionendetektoren verwendet werden können. Massenspektren werden vorzugsweise vom Ionendetektor 7 aufgezeichnet. In einem Betriebsmodus weisen die Massenspektren vorzugsweise Stammionen und entsprechende Fragmentionen auf, die beispielsweise durch Nachquellenzerfall oder durch kollisionsinduzierte Dissoziation infolge einer Fragmentation der Stammionen innerhalb einer Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 erzeugt werden. Um Fragmentionen 3 innerhalb der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 zu fragmentieren, wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass die Ionen 3 mit einer ausreichenden Energie in die Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 eintreten, um beim Kollidieren mit Kollisionsgasmolekülen, die in der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 bereitgestellt sein können, zu fragmentieren.
Die Kollisionsenergie im Schwerpunkt-Bezugsrahmen bzw. -system (E_com) ist:
wobei E_lab die kinetische Energie im Labor-Bezugsrahmen für das Stammion ist, M_p die Masse des Stammions ist und M_t die Masse des neutralen Target-Kollisionsgasmoleküls ist.
Falls die Stammionen eine konstante Geschwindigkeit haben, gleicht die kinetische Energie E_lab jedes Stammions im Labor-Bezugsrahmen der Masse M_p des Stammions, multipliziert mit einer Konstanten k. Daher gilt:
Falls demgemäß die Masse M_p des Stammions viel größer ist als die Masse M_t des Kollisionsgasmoleküls, beträgt die Kollisionsenergie E_com im Schwerpunktsrahmen in etwa kM_t (was in etwa konstant ist). Hochenergetische Kollisionen können unter Verwendung eines Kollisionsgases, wie Xenon (M_t = 127), erzeugt werden, und niederenergetische Kollisionen können unter Verwendung eines Kollisionsgases, wie Helium (M_t = 4), erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Ionen 3 von einer Target- oder Probenplatte 2 einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) 1 erzeugt werden und dann unter Verwendung von einem oder mehreren konstanten elektrischen Feldern auf eine im Wesentlichen konstante Energie beschleunigt werden, so dass die von der Ionenquelle 1 emittierten Ionen 3 vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Energie (beispielsweise 800 eV) aufweisen. Es kann dann dafür gesorgt werden, dass die energetischen Stammionen beim Kollidieren mit Kollisionsgasmolekülen in einer Kollisions- oder Fragmentationszelle fragmentieren. Ein Ionengeschwindigkeitswähler (beispielsweise ein zeitlich gesteuertes Ionengatter) kann programmiert werden, um Stammionen (und entsprechende Fragmentionen) mit einer spezifischen Geschwindigkeit durchzulassen, so dass sie in den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators weitergeleitet werden. Der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators kann selbst alternativ bzw. zusätzlich als ein Geschwindigkeit- oder Masse-zu-Ladungs-Verhältnis-Wähler, d. h. ein Massenfilter, wirken.
Nachdem Ionen in den Drift- oder Flugbereich des Flugzeit-Massenanalysators injiziert worden sind, kommen Ionen zu einer Zeit, die zu ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis umgekehrt proportional ist, am Ionendetektor 7 an. Das sich ergebende Massenspektrum kann ein oder mehrere ausgewählte (oder andere) Stammionen oder Ionen und durch Nachquellenzerfall (”PSD”) der entsprechenden Stammionen und/oder durch kollisionsinduzierte Dissoziation der entsprechenden Stammionen in der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 erzeugte entsprechende Fragmentionen aufweisen. Es können auch durch andere Mechanismen erzeugte Fragmentionen vorhanden sein.
3A zeigt in vereinfachter Form die elektrischen Feldbereiche und die feldfreien Bereiche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Wie vorstehend erörtert wurde, kann eine Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 bereitgestellt werden, diese ist jedoch in 3A lediglich zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt. Ionen 3 werden vorzugsweise an der Oberfläche einer Target- oder Probenplatte 2 einer Ionenquelle 1 erzeugt, die vorzugsweise eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) 1 ist. Die Ionen 3 werden dann vorzugsweise durch ein anfängliches elektrisches Feld, das über einen anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ konstant gehalten wird, beschleunigt. Das elektrische Feld bleibt vorzugsweise im Wesentlichen konstant, während Ionen von dem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ durchgelassen werden. Die Ionen 3 werden vorzugsweise in einen anfänglichen feldfreien Bereich 8 (oder einen ersten Flugzeitbereich) beschleunigt. Wenn die Ionen 3 durch den anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ laufen, werden sie vorzugsweise so beschleunigt, dass sie im Wesentlichen die gleiche Energie annehmen.
Sobald die Ionen 3 mit im Wesentlichen der gleichen Energie in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 eingetreten sind, laufen sie mit Geschwindigkeiten weiter, die umgekehrt proportional zur Wurzel ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses sind. Die Ionen 3 werden daher vorzugsweise entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis zeitlich innerhalb des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 getrennt. Die Ionen 3 treten dann aus dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 aus und treten vorzugsweise in einen weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein. Weil die Ionen 3 innerhalb des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 zeitlich getrennt worden sind, treten Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis vor Ionen mit höheren Masse-Ladungs-Verhältnissen aus dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 aus.
Es wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass sich das im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingerichtete elektrische Feld zeitlich so ändert, dass die kinetische Energie der Ionen 3, die den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ verlassen (und die nachfolgend in einen weiteren feldfreien Bereich 9 oder einen zweiten Flugzeitbereich eintreten), in etwa proportional zum Masse-Ladungs-Verhältnis dieser Ionen 3 ist. Dies kann erreicht werden, indem eines oder beide der Potentiale geändert werden, bei denen der anfängliche feldfreie Bereich 8 und der weitere feldfreie Bereich 9 gehalten werden. Die Potentiale können entweder unabhängig voneinander oder beide zusammen geändert werden, so dass ein gewünschtes zeitlich veränderliches elektrisches Feld einer geeigneten zeitabhängigen Funktion folgt. Beispielsweise kann es effektiv so eingerichtet werden, dass ein sinusförmiges, lineares, quadratisches, kubisches oder abgestuftes zeitabhängiges elektrisches Feld über den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ bereitgestellt wird.
Falls der weitere elektrische Feldbereich L₂ nicht bereitgestellt wäre, hätten die Ionen 3 eine Durchflugzeit zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators, die zum Kehrwert ihrer Geschwindigkeit proportional wäre (und daher in etwa proportional zur Wurzel ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses wäre). Daher kann durch Beschleunigen der Ionen 3 in dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ durch eine Potentialdifferenz, die beispielsweise entsprechend einem geeignet gewichteten quadratischen Gesetz von der Zeit abhängt oder die bevorzugter sinusförmig von der Zeit abhängt, wenn die Ionen 3 in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eindringen und durch diesen hindurchtreten, dafür gesorgt werden, dass die Ionen 3 mit etwas verschiedenen Geschwindigkeiten in den weiteren feldfreien Bereich 9 (d. h. den zweiten Flugzeitbereich) eintreten und durch diesen hindurchlaufen. Dementsprechend kann dafür gesorgt werden, dass alle Ionen 3 im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators ankommen.
Die Geschwindigkeit von Ionen mit höheren Masse-Ladungs-Verhältnissen kann gemäß einer Ausführungsform etwas gegenüber der Geschwindigkeit von Ionen mit niedrigeren Masse-Ladungs-Verhältnissen erhöht sein. Indem dafür gesorgt wird, dass die Ionen 3 etwas verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen, wenn sie durch den weiteren feldfreien Bereich 9 laufen, wird gewährleistet, dass Ionen mit höheren Masse-Ladungs-Verhältnissen Ionen mit niedrigeren Masse-Ladungs-Verhältnissen, die bereits in den weiteren feldfreien Bereich 9 eingetreten sind, einzuholen beginnen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Stärke des über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ angelegten zeitabhängigen elektrischen Felds E₂ mit der Zeit erhöht wird. Es wird auch daran gedacht, dass das zeitlich veränderliche elektrische Feld E₂ weniger bevorzugt ein gepulstes elektrisches Feld einschließen kann und dass die Frequenz der Impulse mit der Zeit erhöht werden kann.
Vorteilhafterweise kann dennoch dafür gesorgt werden, dass Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen und/oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim Eintreten in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ im Wesentlichen gleichzeitig am gleichen Abschnitt eines Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 eines Flugzeit-Massenanalysators ankommen, wodurch eine erhebliche Verbesserung des Tastgrads im MS-Betriebsmodus erhalten werden kann. Tatsächlich ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform in einem MS-Betriebsmodus ein Tastgrad von im Wesentlichen 100 erreichbar.
3B zeigt die elektrischen Potentiale V₁, V₂, V₃, auf denen die Target- oder Probenplatte 2, der anfängliche feldfreie Bereich 8 und der weitere feldfreie Bereich 9 gemäß einer Ausführungsform zu einem Zeitpunkt gehalten werden können. Die elektrischen Potentiale V₁, V₂, V₃ werden vorzugsweise so angelegt, dass das an den anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ angelegte elektrische Feld E₁, zumindest bis im Wesentlichen alle Ionen 3 in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 gelaufen sind, im Wesentlichen zeitlich konstant bleibt. Dagegen ändert sich das an den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ angelegte elektrische Feld E₂ vorzugsweise zeitlich, während Ionen durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ laufen. Die elektrische Feldstärke E₁ des elektrischen Felds im anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ mit einer Länge d₁ ist gegeben durch:
wobei V₁ das Potential der Target- oder Probenplatte 2 ist und V₂ das Potential ist, auf dem der anfängliche feldfreie Bereich 8 gehalten wird.
Die elektrische Feldstärke E₂ im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ mit einer Länge d₂ ist gegeben durch:
wobei V₃ das Potential ist, auf dem der weitere feldfreie Bereich 9 gehalten wird.
Das weitere elektrische Feld E₂ wird vorzugsweise zeitlich geändert, indem entweder das Potential V₃, auf dem der weitere feldfreie Bereich 9 gehalten wird, zeitlich geändert wird und das Potential V₁ und/oder das Potential V₂ konstant gehalten werden, oder indem das Potential V₁ und/oder das Potential V₂ zeitlich geändert wird und das Potential V₃ konstant gehalten wird. Alternativ können gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform das Potential V₁ und/oder das Potential V₂ und/oder das Potential V₃ zeitlich geändert werden, um elektrische Felder E₁ und E₂ zu erzeugen, die sich beide zeitlich ändern. Falls sich das elektrische Feld E₁ nicht zeitlich ändert, ändert sich die Feldstärke des elektrischen Felds E₁ vorzugsweise nur erheblich, sobald Ionen aus dem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ ausgetreten sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, dass Ionen 3 im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Flugzeit-Massenanalysators ankommen, indem ein zeitabhängiges Potential V₂ und/oder ein Potential V₃ verwendet wird, das beispielsweise eine kubische Zeitabhängigkeit aufweist oder das bevorzugter sinusförmig von der Zeit abhängt. Gemäß einer Ausführungsform kann der anfängliche elektrische Feldbereich L₁ beispielsweise eine Länge d₁ von 3 mm aufweisen, und ein konstantes elektrisches Feld E₁ kann durch Halten des Potentials V₁ auf 0 V bzw. des Potentials V₂ auf –800 V (Gleichspannung) über dem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ eingerichtet sein. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 kann eine Länge von 50 mm aufweisen. Der weitere elektrische Feldbereich L₂ kann eine Länge d₂ von 3 mm aufweisen, und der weitere feldfreie Bereich 9 kann eine Länge von 97 mm aufweisen. Der weitere feldfreie Bereich 9 kann gemäß einer Ausführungsform auf einem Potential V₃ gehalten werden, das sich zeitlich so ändert, dass V₃ = –1,25t³ – 20 ist, wobei t die Zeit in μs ist. Daher kann die über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ aufrechterhaltene Feldstärke des elektrischen Felds E₂ durch
gegeben sein.
In dem weiteren feldfreien Bereich 9 haben die Ionen 3 eine kinetische Energie von q(V₁ – V₃) Elektronenvolt, wobei q die Ionenladung in Coulomb ist. In dem vorstehenden Beispiel haben Ionen verhältnismäßig niedrige Masse-Ladungs-Verhältnisse, und sie kommen an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ an, bevor andere Ionen wirksam durch das zeitlich veränderliche elektrische Feld E₂ verzögert werden können, während andere Ionen mit höheren Masse-Ladungs-Verhältnissen, die später am weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, wirksam durch das zeitlich veränderliche elektrische Feld E₂ beschleunigt werden können. Die Richtung des elektrischen Felds E₂ kann sich daher ändern, während Ionen, die durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ laufen, d. h. die schnellsten Ionen, verzögert werden können und die langsamsten Ionen beschleunigt werden können.
3C zeigt ein Beispiel eines zeitlich veränderlichen elektrischen Felds E₂, das über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ angelegt werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform nimmt die Feldstärke des an den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ angelegten elektrischen Felds E₂ zeitlich im Wesentlichen exponentiell zu oder im Wesentlichen exponentiell ab. Das elektrische Feld E₂ kann beispielsweise zeitlich so geändert werden, dass die Ionen, die vor anderen Ionen in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eintreten, verzögert werden können, während Ionen, die zu einer späteren Zeit an dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, beschleunigt oder weniger stark verzögert werden können. Demgemäß kommen vorzugsweise wenigstens einige Ionen 3 mit sich vorzugsweise stark unterscheidenden Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators an.
4A zeigt die berechnete Geschwindigkeit von drei Gruppen einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit anfänglichen Geschwindigkeiten von 1, 300 und 750 m/s, die durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld gemäß der bevorzugten Ausführungsform beschleunigt worden sind. Die Ionen wurden zuerst durch ein in einem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ unmittelbar neben der Target- oder Probenplatte 2 der Ionenquelle 1 angeordnetes konstantes elektrisches Feld E₁ beschleunigt. Die Ionen wurden dann durch ein in einem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ stromabwärts des konstanten elektrischen Felds E₁ angeordnetes zeitlich veränderliches elektrisches Feld E₂ weiter beschleunigt.
4B zeigt den Versatz oder die Dispersion dieser Ionen zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s im Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Wie aus 4B ersichtlich ist, beträgt die Versatzdifferenz (d. h. die räumliche Trennung) der Ionen 3 zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s das Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 erreichen, über einen verhältnismäßig breiten Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen und für Ionen mit stark unterschiedlichen anfänglichen Ionengeschwindigkeiten vorteilhafterweise nur etwa 3,5 mm. Eine solche kleine räumliche Trennung oder Dispersion ist erheblich kleiner als die räumliche Trennung oder Dispersion, die andernfalls beobachtet werden würde, falls die Ionen zu einer konstanten Energie beschleunigt werden würden und dann in herkömmlicher Weise direkt zu einem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich überführt werden, d. h. ohne dass die Ionen gemäß der bevorzugten Ausführungsform durch einen zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich L₂ hindurchlaufen.
Wenngleich gemäß einer Ausführungsform ein kubisches zeitabhängiges elektrisches Feld beschrieben wurde, können weitere oder unterschiedliche zeitlich veränderliche Funktionen verwendet werden, indem die Potentiale V₁, V₂, V₃ nach Wunsch geändert werden. Beispielsweise können eine oder mehrere verschiedene oder komplexere zeitlich veränderliche Spannungen an Komponenten des Massenspektrometers angelegt werden. Beispielsweise kann das zeitlich veränderliche elektrische Feld E₂ durch eine oder mehrere Spannungen bereitgestellt werden, die beispielsweise eine exponentielle Rampenfunktion V(t) = a[exp^((t – t₀)/b) – c], eine lineare Rampenfunktion V(t) = a(t – t₀) + b, eine quadratische Rampenfunktion V(t) = a[(t – t₀)²] + b, eine kubische Rampenfunktion V(t) = a(t – t₀)³ + b, eine Potenz-Rampenfunktion V(t) = a(t – t₀)^b, eine sinusförmige Funktion V(t) = a + bcos[c(t – t₀) + d], eine quadratische Polynomfunktion oder eine Polynomfunktion höherer Ordnung V(t) = a + b(t – t₀) + c(t – t₀)² + d(t – t₀)³ oder mehrstufige Funktionen aufweisen, wobei a, b, c, d und t₀ Konstanten sind. Die Potentialfunktionen ändern sich vorzugsweise mit der Zeit, so dass sie für Ionen, die durch den elektrischen Feldbereich L₂ hindurchtreten, ein beschleunigendes und/oder ein verzögerndes Feld bereitstellen. Die elektrischen Felder können auch entweder homogene oder heterogene elektrische Felder E₁, E₂ oder eine Kombination der beiden einschließen.
5A zeigt eine weniger bevorzugte Ausführungsform, wobei Ionen 3 von einer Target- oder Probenplatte 2 einer Ionenquelle 1 über einen einzigen elektrischen Feldbereich L₁ zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 laufen. Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld E₁ wird vorzugsweise im elektrischen Feldbereich L₁ bereitgestellt. Ionen 3 werden an der Target- oder Probenplatte 2 der Ionenquelle 1 erzeugt, die vorzugsweise eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) ist. Der elektrische Feldbereich L₁ ist vorzugsweise unmittelbar neben der Target- oder Probenplatte 2 und stromabwärts von dieser angeordnet. Das im elektrischen Feldbereich L₁ eingerichtete elektrische Feld E₁ beschleunigt und/oder verzögert vorzugsweise wenigstens einige der an der Target- oder Probenplatte 2 erzeugten Ionen 3, und die Ionen 3 laufen dann vorzugsweise in einen feldfreien Bereich 9'. Der feldfreie Bereich 9' setzt sich vorzugsweise in den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators fort. 5B zeigt ein Beispiel des elektrischen Potentialprofils, das zu einem Zeitpunkt in dem Abschnitt des Flugzeit-Massenanalysators von der Target- oder Probenplatte 2 bis zum Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 bereitgestellt werden kann. Das Potential V₁, auf dem die Target- oder Probenplatte 2 gehalten wird, und/oder das Potential V₂, auf dem der feldfreie Bereich 9' gehalten wird, können zeitlich geändert werden, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld E₁ zu erzeugen, das dann auf von der Proben- oder Targetplatte 2 emittierte Ionen einwirkt.
Wenngleich gemäß den vorstehenden Ausführungsformen ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld E₁, E₂ durch Ändern des an den feldfreien Bereich bzw. die feldfreien Bereiche (d. h. den Flugzeitbereich bzw. die Flugzeitbereiche) und/oder die Target- oder Probenplatte 2 angelegten Potentials V₁, V₂, V₃ erzeugt werden kann, wird gemäß anderen Ausführungsformen erwogen, dass eine oder mehrere Elektroden im elektrischen Feldbereich bzw. in den elektrischen Feldbereichen L₁, L₂ angeordnet werden können, um das gewünschte elektrische Feld E₁, E₂ zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich das zeitlich veränderliche elektrische Feld E₁, das Ionen 3 beschleunigt und/oder verzögert, zeitlich entweder im Wesentlichen exponentiell oder im Wesentlichen sinusförmig. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Potentialdifferenz über den elektrischen Feldbereich L₁ aufrechterhalten wird, die sich zeitlich exponentiell oder sinusförmig ändert. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
Ein exponentielles oder sinusförmiges elektrisches Feld kann beispielsweise im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ der in bezug auf die 1, 2 und 3A dargestellten und beschriebenen Ausführungsform oder in dem einzelnen elektrischen Feldbereich L₁ der in bezug auf 5A dargestellten und beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt werden. Das folgende Beispiel eines exponentiellen elektrischen Felds wird mit Bezug auf den in 5A dargestellten einzelnen elektrischen Feldbereich L₁ beschrieben. Die Potentialdifferenz über den zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich L₁ ist gegeben durch:
wobei V₀ eine Konstante ist und t_c eine Zeitkonstante ist.
Daher ist das lineare elektrische Feld E₁, das zu einer Zeit t über die Länge des elektrischen Feldbereichs L₁ vorhanden ist, gegeben durch:
Die Beschleunigung (acc) eines Ions mit einem gegebenen Masse-Ladungs-Verhältnis m/z zu einer Zeit t im zeitlich veränderlichen elektrischen Feld E₁ ist approximiert in etwa die folgende (nach der Approximation zu einem leicht von Null verschiedenen elektrischen Anfangsfeld):
wobei q die Ladung des Ions ist.
Durch Integration der Beschleunigung in bezug auf die Zeit ergibt sich die Geschwindigkeit (vel) eines Ions zur Zeit t:
wobei C₁ eine Konstante ist.
Durch Integration der Geschwindigkeit in bezug auf die Zeit ergibt sich der Versatz x des Ions zur Zeit t:
wobei C₂ eine weitere Konstante ist.
Falls angenommen wird, dass die anfängliche Längsgeschwindigkeit des Ions und der anfängliche Ionenversatz x null sind, sind die Integrationskonstanten C₁ und C₂ vernachlässigbar. Daher ergibt sich durch Auflösen nach der Flugzeit t₁ über die Länge d₁ des elektrischen Feldbereichs L₁:
Durch Einsetzen der Flugzeit t₁ in die vorstehende Gleichung für die Geschwindigkeit eines Ions ergibt sich die Geschwindigkeit (vel_ffr) eines Ions innerhalb des zwischen dem zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereich L₁ und dem Zentrum des Extraktionsbereichs 10 angeordneten feldfreien Bereichs 9'. Die Geschwindigkeit vel_ffr eines Ions im feldfreien Bereich 9' ist vom Masse-Ladungs-Verhältnis unabhängig und gegeben durch:
Daher ist bei diesen Näherungen bzw. Approximationen die Geschwindigkeit vel_ffr eines Ions im feldfreien Bereich 9' vom Masse-Ladungs-Verhältnis des Ions unabhängig. Daher haben alle Ionen 3, unabhängig von ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis, die gleiche Flugzeit vom Ausgang des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereichs L₁ zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10. Dementsprechend kommen alle Ionen 3 im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 an.
Gemäß einer detaillierteren mathematischen Analyse, wobei anfängliche Ionengeschwindigkeiten und ein elektrisches Anfangsfeld von Null zugelassen werden, haben jedoch nicht alle Ionen 3 unbedingt die gleiche Flugzeit vom Ausgang des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereichs L₁ zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10, sondern sie können erhebliche Unterschiede in der Geschwindigkeit und der Energie aufweisen, wie in den 6A und 6B dargestellt ist und nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird. Trotzdem ist die räumliche Trennung oder Dispersion der Ionen 3 am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators noch erheblich kleiner als die räumliche Trennung oder Dispersion innerhalb eines herkömmlichen Massenanalysators, wobei Ionen einfach, lediglich unter Verwendung eines konstanten elektrischen Felds, von der Ionenquelle zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 beschleunigt werden.
6A zeigt die berechnete Geschwindigkeit von drei Gruppen einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit anfänglichen Geschwindigkeiten von 1, 300 und 750 m/s, die gerade durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform beschleunigt worden sind. Bei dieser Simulation betrug die Länge d₁ des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldbereichs L₁ 3 mm, die Länge des einzelnen feldfreien Bereichs 9' (oder einzelnen Flugzeitbereichs) 150 mm und die Zeitkonstante t_c 0,29 μs. Demgemäß betrug die Potentialdifferenz über den elektrischen Feldbereich L₁ V₁ – V₂ = exp(t/0,29) – 1, wobei t die Zeit in μs ist.
6B zeigt den Versatz oder die Dispersion dieser Ionen 3 zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s im Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Wie anhand 6B ersichtlich ist, beträgt die Versatzdifferenz (d. h. die räumliche Trennung) der Ionen 3 zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s das Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 erreichen, über einen verhältnismäßig breiten Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen und sich stark ändernde anfängliche Ionengeschwindigkeiten in etwa 93 mm. Die räumliche Trennung oder die Dispersion der Ionen 3 am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators gemäß dieser weniger bevorzugten Ausführungsform ist größer als diejenige der bevorzugten Ausführungsform. Die Trennung oder Dispersion ist jedoch noch erheblich kleiner als die räumliche Trennung oder Dispersion, die unter Verwendung eines herkömmlichen Massenanalysators beobachtet wird (beispielsweise in etwa die Hälfte davon), wobei die Ionenquelle Ionen unter Verwendung nur eines konstanten elektrischen Felds zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich beschleunigt.
7A zeigt die berechnete Geschwindigkeit von drei Gruppen einfach geladener Ionen als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für Ionen mit Anfangsgeschwindigkeiten von 1, 300 und 750 m/s. Die Ionen wurden in Übereinstimmung mit herkömmlichen Techniken unter Verwendung nur eines konstanten elektrischen Felds beschleunigt. Eine Potentialdifferenz von 800 V wurde zwischen der Target- oder Probenplatte der Ionenquelle und dem feldfreien Bereich simuliert, um die Beschleunigung der Ionen auf eine konstante Energie von 800 eV zu simulieren. Dementsprechend sind die Geschwindigkeiten der Ionen zur Wurzel ihrer Masse-Ladungs-Verhältnisse umgekehrt proportional.
7B zeigt den Versatz dieser Ionen zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s im Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Wie 7B entnommen werden kann, beträgt die Versatzdifferenz (d. h. die räumliche Trennung) der Ionen zu der Zeit, zu der Ionen mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis von 2000 und einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 m/s das Zentrum des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs erreichen, über einen relativ breiten Bereich von Masse-Ladungs-Verhältnissen und sich stark unterscheidende anfängliche Ionengeschwindigkeiten in etwa 194 mm. Dies ist eine viel größere räumliche Trennung als die entsprechende räumliche Trennung oder Dispersion, die durch Beschleunigen von Ionen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht wird, wobei die räumliche Trennung nur einige Millimeter oder weniger betrug. Es wird daher verständlich sein, dass bei einem herkömmlichen Massenanalysator der Tastgrad in einem MS-Betriebsmodus verhältnismäßig gering ist.
8 zeigt ein Beispiel des elektrischen Potentialprofils über ein Massenspektrometer gemäß der bevorzugten Ausführungsform zu einem Zeitpunkt. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Massenspektrometer einen ersten Abschnitt 11 (mit einer Ionenquelle 1 und einem Beschleunigungsmittel) und einen zweiten Abschnitt 12 (mit einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator 12, der ein Reflektron 6 aufweist) aufweist. Die Ionenquelle 1 weist vorzugsweise eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) 1 auf und erzeugt Ionen 3 an einer Targetplatte 2, die auf einem ersten Potential V₁ gehalten werden kann. Die Ionen 3 können von der Target- oder Probenplatte 2 durch einen anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ und vorzugsweise zu einem anfänglichen feldfreien Bereich 8 stromabwärts der Target- oder Probenplatte 2 laufen. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 besteht vorzugsweise aus wenigstens einer Elektrode, die auf einem zweiten Potential V₂ gehalten werden kann. Die Ionen 3 können dann aus dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 (oder dem ersten Flugzeitbereich) austreten und durch einen weiteren elektrischen Feldbereich L₂ und dann vorzugsweise in einen weiteren feldfreien Bereich 9 (oder einen zweiten Flugzeitbereich) laufen. Der weitere feldfreie Bereich 9 befindet sich vorzugsweise stromaufwärts des gepulsten Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators 12. Der weitere feldfreie Bereich 9 kann durch eine oder mehrere Elektroden gebildet sein, die vorzugsweise auf einem dritten Potential V₃ gehalten werden. Der weitere feldfreie Bereich 9 kann eine Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 aufweisen. Die Potentiale V₁, V₂, V₃ können verschieden sein und zeitlich so geändert werden, dass das elektrische Feld im anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ und/oder das elektrische Feld im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ die gewünschte Form annehmen. Die Ionen 3 laufen dann durch den weiteren feldfreien Bereich 9 und in den gepulsten Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators 12, wo ein gepulstes Extraktionspotential V₄ bewirkt, dass die Ionen 3 durch einen Beschleunigungs- oder Flugbereich des Flugzeit-Massenanalysators beschleunigt werden. Die Ionen 3 werden vorzugsweise zu einem Ionenspiegel oder Reflektron 6 beschleunigt, wodurch die Ionen 3 zu einem Ionendetektor 7 zurückreflektiert werden.
Die Ionenquelle 1 erzeugt vorzugsweise Ionen 3 mit einer in etwa konstanten Geschwindigkeit, und die kinetische Energie der von der Ionenquelle 1 emittierten Ionen 3 ist daher vorzugsweise zu ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis proportional. Gemäß einer Ausführungsform kann ein spezifischer Bereich von Stammionen mit einem spezifischen Bereich kinetischer Energien unter Verwendung eines elektrostatischen Ionenenergieanalysators, eines Massenfilters oder eines Ionengatters (nicht dargestellt), das vorzugsweise stromaufwärts einer Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 angeordnet ist, ausgewählt und durchgelassen werden. Der Energieanalysator oder das Massenfilter kann so konfiguriert werden, dass Ionen mit einem niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis (und daher einer niedrigen Energie) unterdrückt werden, ohne dass die Komplexität einer schnellen Matrixunterdrückungslinse erforderlich wäre. Zusätzlich bzw. alternativ kann ein Ionengatter stromabwärts einer Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 angeordnet werden.
9A zeigt ein Schema der elektrischen und feldfreien Bereiche gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform. Ionen 3 werden vorzugsweise an der Oberfläche einer Proben- oder Targetplatte 2 einer Ionenquelle 1 erzeugt, die vorzugsweise eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) oder eine Desorption/Ionisation-auf-Silicium-Ionenquelle (”DIOS-Ionenquelle”) ist. Die Ionen 3 können an der Oberfläche einer Target- oder Probenplatte 2 in der Ionenquelle 1 erzeugt werden, indem die Oberfläche der Target- oder Probenplatte 2 mit einem Laserimpuls oder Laserstrahl von einer Laserquelle 13 beleuchtet wird. Vorzugsweise ist ein Spiegel 14 bereitgestellt, um den Laserimpuls oder Laserstrahl auf die Oberfläche der Target- oder Probenplatte 2 zu reflektieren, um die Ionen 3 zu erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Spiegel 14 einstellbar sein, so dass der Winkel, unter dem der Laserimpuls oder Laserstrahl reflektiert wird, geändert werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spiegel 14 im anfänglichen feldfreien Bereich 8 bereitgestellt, jedoch gegenüber dem Weg versetzt, entlang dem Ionen 3 bei der Verwendung durchgelassen werden.
Die auf der Target- oder Probenplatte 2 erzeugten Ionen 3 werden dann vorzugsweise durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das über einem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ aufrechterhalten wird. Das elektrische Feld bleibt vorzugsweise im Wesentlichen konstant, während Ionen 3 vom anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ durchgelassen werden. Die Ionen 3 werden vorzugsweise in einen anfänglichen feldfreien Bereich 8 beschleunigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich der anfängliche feldfreie Bereich vorzugsweise in etwa 8 mm stromabwärts der Target- oder Probenplatte 2, wenngleich die Trennung zwischen dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 und der Target- oder Probenplatte 2 gemäß anderen Ausführungsformen abweichen kann. Wenn die Ionen 3 durch den anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ laufen, werden sie vorzugsweise so beschleunigt, dass sie im Wesentlichen die gleiche Energie erwerben. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 weist vorzugsweise in etwa eine Länge von 45 mm auf, wenngleich er gemäß anderen Ausführungsformen abweichende Längen aufweisen kann. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der anfängliche feldfreie Bereich 8 eine im Wesentlichen zylindrische oder rohrförmige Elektrode auf oder ist dadurch (oder innerhalb dieser) gebildet, welche vorzugsweise einen Fensterabschnitt aufweist, um es einem Laserimpuls oder Laserstrahl von der Laserquelle 13 zu ermöglichen, zum Spiegel 14 zu laufen.
Nachdem die Ionen 3 mit im Wesentlichen der gleichen Energie in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 eingetreten sind, laufen die Ionen 3 mit Geschwindigkeiten, die umgekehrt proportional zur Wurzel ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses sind, weiter durch den anfänglichen feldfreien Bereich 8. Die Ionen 3 werden daher entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis innerhalb des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 zeitlich getrennt, so dass der anfängliche feldfreie Bereich als ein Flugzeit- oder Driftbereich wirkt. Die Ionen 3 treten dann vorzugsweise in einen weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein. Weil die Ionen 3 innerhalb des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 zeitlich getrennt werden, treten Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen zu erheblich verschiedenen Zeiten in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein. Es wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass sich das im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingerichtete elektrische Feld zeitlich so ändert, dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die zu verschiedenen Zeiten in dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ankommen, mit unterschiedlichen Raten verzögert (oder weniger bevorzugt beschleunigt) werden. Dabei können Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ so verzögert (oder beschleunigt) werden, dass die Ionen 3 dann in einen weiteren feldfreien Bereich 9 mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit oder bevorzugter mit etwas unterschiedlichen Geschwindigkeiten eintreten, so dass die Ionen 3 schließlich im Wesentlichen zur selben Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 ankommen. Der weitere feldfreie Bereich 9 wirkt daher als ein zweiter Flugzeit- oder Driftbereich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge des weiteren elektrischen Feldbereichs L₂ in etwa 5 mm, wenngleich diese Länge gemäß anderen Ausführungsformen abweichen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der weitere feldfreie Bereich 9 einen oder mehrere Elektrodenstapel, beispielsweise Ringelektroden, und/oder eine oder mehrere zylindrische oder rohrförmige Elektroden aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der weitere feldfreie Bereich 9 eine Länge von etwa 150 mm, wenngleich diese Länge gemäß anderen Ausführungsformen abweichen kann.
Der weitere feldfreie Bereich 9 weist vorzugsweise eine Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 auf oder enthält diese. Die Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 weist vorzugsweise eine Kapillare oder einen Kanal mit einer verhältnismäßig schmalen Bohrung zum Aufnehmen eines Gases auf, wobei bei der Verwendung Ionen 3 vorzugsweise durch die Kapillare oder den Kanal laufen. Die Kapillare oder der Kanal kann einen quadratischen, kreisförmigen, rechteckigen oder anders geformten Querschnitt aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kapillare oder der Kanal der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 einen rechteckigen Querschnitt von 1 mm × 12,5 mm und eine Länge von etwa 50 mm, wenngleich diese Dimensionen gemäß anderen Ausführungsformen abweichen können. Vorzugsweise ist innerhalb oder an der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 kein elektrisches HF- oder Wechselfeld bereitgestellt, so dass die Ionen nicht radial eingeschlossen sind. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann die Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 innerhalb des weiteren feldfreien Bereichs 9 angeordnet werden und ist vorzugsweise vom stromaufwärts und/oder stromabwärts gelegenen Ende oder Bereich des weiteren feldfreien Bereichs 9 beabstandet. Ein Isoliermaterial, beispielsweise ein Keramikmaterial, kann radial außerhalb der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 bereitgestellt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Abschnitte des weiteren feldfreien Bereichs 9 stromaufwärts und stromabwärts der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 durch das Isoliermaterial beabstandet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Ionengatter 16 oder eine andere Form eines Massenfilters stromaufwärts und/oder stromabwärts der Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 bereitgestellt sein. In einem MS/MS-Betriebsmodus kann ein Ionengatter verwendet werden, um Stammionen (und Fragmentionen) mit einer spezifischen Geschwindigkeit auszuwählen und durchzulassen, so dass sie zur Kollisions- oder Fragmentationszelle 4 durchgelassen oder von dieser weitergeleitet werden und zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators weiterlaufen gelassen werden. Das Ionengatter 16 kann zwei halbe Plattenelektroden aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können eine oder mehrere Gitterelektroden 15 zwischen dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 und dem weiteren feldfreien Bereich 9 und/oder zum Festlegen des weiteren elektrischen Feldbereichs L₂ bereitgestellt sein. Die eine oder die mehreren Gitterelektroden 15 haben vorzugsweise eine hohe Durchlässigkeit von beispielsweise wenigstens 90% und sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander, falls zwei oder mehr Gitterelektroden 15 bereitgestellt sind. Die Gitterelektroden 15 halten das elektrische Feld im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Achse des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 und des weiteren feldfreien Bereichs 9.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Beschleunigungsbereich L₃ zwischen dem weiteren feldfreien Bereich 9 und dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 bereitgestellt. Bei der Verwendung wird der weitere feldfreie Bereich 9 vorzugsweise auf einem Potential gehalten, das positiver ist als dasjenige des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10, bevor der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 gepulst wird. Die Potentialdifferenz über den Beschleunigungsbereich L₃ wird vorzugsweise konstant gehalten, bis zumindest einige der Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen in den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eingetreten sind. Die Ionen 3 werden vorzugsweise vom weiteren feldfreien Bereich 9 in den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 beschleunigt, wenn sie durch den Beschleunigungsbereich L₃ laufen. Die Ionen 3 können daher im Beschleunigungsbereich L₃ beschleunigt werden, so dass sie im Wesentlichen zur gleichen Zeit und mit im Wesentlichen der gleichen Energie am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Vorteilhafterweise kann die Länge der Detektorplatten in einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator durch Beschleunigen der Ionen 3 durch den Beschleunigungsbereich L₃ verringert werden. Der Beschleunigungsbereich L₃ ist vorzugsweise relativ kurz und kann eine Länge von beispielsweise 10 mm aufweisen, wenngleich sie gemäß anderen Ausführungsformen davon abweichen kann.
9B zeigt die elektrischen Potentiale V₁, V₂, V₃, V₄, auf denen die Target- oder Probenplatte 2, der anfängliche feldfreie Bereich 8, der weitere feldfreie Bereich 9 und der Beschleunigungsbereich L₃ zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₀, t₁, t₂ gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gehalten werden können. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden das Potential V₁ der Target- oder Probenplatte 2 und das Potential V₃ des weiteren feldfreien Bereichs 9 zeitlich konstant gehalten und wird das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 (oder genauer der einen oder mehreren Elektroden, die den anfänglichen feldfreien Bereich 8 bilden) zeitlich geändert. Vorzugsweise werden die Target- oder Probenplatte 2 und der weitere feldfreie Bereich 9 auf positiven Gleichspannungspotentialen von beispielsweise +50 V bzw. +25 V gehalten. Die Target- oder Probenplatte 2 und der weitere feldfreie Bereich 9 können gemäß anderen Ausführungsformen auch auf anderen Potentialen gehalten werden. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 wird vorzugsweise zu einer Anfangszeit t₀ auf einem negativen Gleichspannungspotential von beispielsweise –3,9 kV schwebend gehalten. Der anfängliche feldfreie Bereich 8 kann gemäß anderen Ausführungsformen anfänglich auf anderen Gleichspannungspotentialen von beispielsweise –5 kV oder –10 kV schwebend gehalten werden. Ein zeitlich veränderliches Potential wird vorzugsweise an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 (oder genauer an die eine oder mehreren Elektroden, die den anfänglichen feldfreien Bereich 8 bilden) angelegt, um ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld E₂ in dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ zu erzeugen, weil das Potential V₃ des weiteren feldfreien Bereichs fest bleibt.
Es ist anhand 9B ersichtlich, dass zu einer Anfangszeit t₀, zu der der Impuls von Ionen 3 an der Target- oder Probenplatte 2 erzeugt wird, der anfängliche feldfreie Bereich 8 vorzugsweise auf einem verhältnismäßig hohen negativen Potential V₂(t₀) gehalten wird. Die über dem anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ erzeugte Potentialdifferenz beschleunigt die Ionen 3 vorzugsweise so, dass sie im Wesentlichen die gleiche Energie gewinnen. Sobald die Ionen 3 im Wesentlichen mit der gleichen Energie in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 eingetreten sind, bewegen sie sich vorzugsweise mit Geschwindigkeiten weiter, die umgekehrt proportional zur Wurzel ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses sind. Die Ionen 3 werden daher entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis im anfänglichen feldfreien Bereich 8, der als ein Flugzeitbereich wirkt, zeitlich getrennt. Sobald im Wesentlichen alle Ionen 3 in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 eingetreten sind, kann vorzugsweise ein zeitlich veränderliches Potential effektiv an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 oder genauer an die eine oder die mehreren Elektroden, die den anfänglichen feldfreien Bereich 8 bilden, angelegt werden.
Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen laufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den anfänglichen feldfreien Bereich 8 und treten daher zu erheblich verschiedenen Zeiten in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein. Weil sich das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 zeitlich ändert, ändert sich die Potentialdifferenz über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ und daher die Stärke des verzögernden elektrischen Felds E₂ im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ zeitlich, weil das Potential V₃ vorzugsweise zeitlich konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8, zumindest bis zu einer Zeit t₁, zu der im Wesentlichen alle Ionen 3 aus dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ausgetreten und in den weiteren feldfreien Bereich 9 eingetreten sind, im Laufe der Zeit weniger negativ. Im Wesentlichen alle Ionen 3 treten daher in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein, während das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 zu der Zeit, zu der im Wesentlichen alle Ionen 3 in den weiteren feldfreien Bereich 9 eingetreten sind, zwischen dem anfänglichen Potential V₂(t₀) und dem Potential V₂(t₁) liegt.
Weil die Ionen 3 vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Energie haben und im anfänglichen feldfreien Bereich 8 zeitlich getrennt werden, treten Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis vor Ionen mit höheren Masse-Ladungs-Verhältnissen aus dem anfänglichen feldfreien Bereich 8 aus. Die Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis treten daher vorzugsweise in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein, während das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 stärker negativ ist. Zu der Zeit, zu der die Ionen mit relativ niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnissen in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eintreten, ist die Potentialdifferenz über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ daher vorzugsweise verhältnismäßig hoch. Demgemäß spüren die Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis ein verhältnismäßig starkes verzögerndes elektrisches Feld im weiteren elektrischen Feldbereich L₂, und diese Ionen werden daher mit einer verhältnismäßig hohen Rate verzögert, bevor sie in den weiteren feldfreien Bereich 9 eindringen und mit einer konstanten Geschwindigkeit durch diesen hindurchlaufen. Ionen mit einem verhältnismäßig hohen Masse-Ladungs-Verhältnis treten zu einer späteren Zeit in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ein als die Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis. Zu dieser späteren Zeit ist das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 vorzugsweise weniger negativ als das Potential V₂ zu der Zeit, zu der Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingetreten sind und durch diesen hindurchgelaufen sind. Während der Zeit, zu der die Ionen mit dem höchsten Masse-Ladungs-Verhältnis in den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingetreten und durch diesen hindurchgelaufen sind, ist die Potentialdifferenz über dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ daher weniger negativ. Demgemäß spüren Ionen mit einem verhältnismäßig hohen Masse-Ladungs-Verhältnis vorzugsweise ein verhältnismäßig schwaches verzögerndes elektrisches Feld im weiteren elektrischen Feldbereich L₂, und diese Ionen werden daher mit einer verhältnismäßig niedrigen Rate verzögert, bevor sie zu einer Zeit t₁ in den weiteren feldfreien Bereich 9 eintreten und mit einer konstanten Geschwindigkeit durch diesen hindurchlaufen.
Nachdem im Wesentlichen alle Ionen 3 durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ hindurchgelaufen sind und aus diesem ausgetreten sind, kann sich das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 weiter kontinuierlich mit der Zeit ändern. Beispielsweise kann, wie in 9C dargestellt ist, das Potential V₂(t₂) zu einer späteren Zeit t₂ sogar noch weniger negativ sein, weil die Ionen jedoch bereits aus dem weiteren elektrischen Feldbereich L₂ ausgetreten sind, hat das Potential V₂(t₂) keine Wirkung auf die Ionen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ändert sich das zeitlich veränderliche Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 mit der Zeit so, dass Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ mit unterschiedlichen Raten oder mit unterschiedlichen Graden verzögert werden, so dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen im Wesentlichen zur gleichen Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Flugzeit-Massenanalysators ankommen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden die Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen zu etwas verschiedenen Geschwindigkeiten verzögert, so dass die Ionen mit einem verhältnismäßig hohen Masse-Ladungs-Verhältnis die Ionen mit einem verhältnismäßig niedrigen Masse-Ladungs-Verhältnis effektiv einholen, so dass im Wesentlichen alle der Ionen 3 im Wesentlichen zur gleichen Zeit am selben Ort innerhalb des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 ankommen.
9C zeigt ein Beispiel davon, wie sich das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeitlich ändert, wobei die Target- oder Probenplatte 2 auf einem festen Potential V₁ gehalten werden kann und der weitere feldfreie Bereich 9 ähnlich fest auf einem Potential V₃ liegen kann. Gemäß dieser Ausführungsform schwebt der anfängliche feldfreie Bereich 8 zunächst vorzugsweise auf einem Gleichspannungspotential von –3,9 kV. Ein Impuls von Ionen 3 wird im Wesentlichen zu einer Anfangszeit t₀ an der Target- oder Probenplatte 2 der Ionenquelle 1 erzeugt. Zur Zeit t₀, zu der die Ionen 3 erzeugt werden, wird der anfängliche feldfreie Bereich 8 auf einem Potential V₂(t₀) gehalten, das vorzugsweise das Gleichspannungspotential ist, auf dem der anfängliche feldfreie Bereich 8 schwebt. Kurz nachdem der Impuls von Ionen 3 erzeugt wurde und vorzugsweise zu einer Zeit, zu der im Wesentlichen alle Ionen 3 in den anfänglichen feldfreien Bereich 8 eingetreten sind (oder während dies geschieht), wird ein zeitlich veränderliches Potential effektiv an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 angelegt. Gemäß dieser Ausführungsform ändert sich das an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 angelegte zeitlich veränderliche Potential zeitlich im Wesentlichen sinusförmig. Vorzugsweise hat das an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 angelegte zeitlich veränderliche Potential eine Frequenz von in etwa 40 kHz, wenngleich das zeitlich veränderliche Potential gemäß anderen Ausführungsformen abweichende Frequenzen aufweisen kann. Der bevorzugte Frequenzbereich des zeitlich veränderlichen Potentials reicht von etwa 10 kHz bis etwa 200 kHz. Gemäß anderen Ausführungsformen können jedoch andere von der Frequenz und der Zeit abhängige Felder verwendet werden. Gemäß der in 9C dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat das sinusförmig zeitlich veränderliche Potential eine Amplitude von Spitze zu Spitze von etwa 2 kV, wenngleich erwogen wird, dass an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 angelegte zeitlich veränderliche Potentiale andere Amplituden von Spitze zu Spitze aufweisen können. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Amplitude des zeitlich veränderlichen Potentials von Spitze zu Spitze größer als 2 kV sein, und gemäß einer Ausführungsform kann die Amplitude von Spitze zu Spitze beispielsweise 3 kV betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im Wesentlichen alle Ionen 3 in weniger als etwa 10 μs durch den anfänglichen feldfreien Bereich 8 und den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ hindurchgelaufen und daraus ausgetreten. Beispielsweise sind gemäß der mit Bezug auf 9C dargestellten speziellen Ausführungsform vorzugsweise alle Ionen 3 zu einer Zeit t₁, die in etwa 6 μs beträgt, durch den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ hindurchgelaufen. Vorzugsweise sind die Ionen 3 vor der Zeit t₂, zu der das zeitlich veränderliche Potential seinen am wenigsten negativen Wert erreicht, sicher durch den anfänglichen feldfreien Bereich 8 und den weiteren elektrischen Feldbereich L₂ hindurchgelaufen und daraus ausgetreten. Es wird daher erwogen, dass das Potential V₂ des anfänglichen feldfreien Bereichs 8 nicht zeitlich kontinuierlich oder zyklisch geändert werden muss und dass gemäß der in 9C dargestellten Ausführungsform vorzugsweise nur ein Abschnitt der sinusförmigen zeitabhängigen Potentialwellenform bis zu einer Zeit t₁ an den anfänglichen feldfreien Bereich 8 angelegt wird oder angelegt werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die im anfänglichen elektrischen Feldbereich L₁ und im weiteren elektrischen Feldbereich L₂ eingerichteten elektrischen Felder E₁, E₂, die innerhalb der Ionenquelle 1 oder neben dieser bereitgestellt werden können, unter Verwendung von Software und Elektronik gesteuert werden und so eingerichtet werden, dass Ionen 3 erzeugt werden, die entweder die gleiche Energie, einen gewünschten Geschwindigkeitsbereich und/oder im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit aufweisen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, dass ein Bereich von Ionen mit unterschiedlichen interessierenden Masse-Ladungs-Verhältnissen zu einer bestimmten Zeit am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators ankommt, während dafür gesorgt werden kann, dass andere unerwünschte Ionen zu einer anderen (beispielsweise früheren oder späteren) Zeit ankommen. Die Ionenquelle 1 kann so eingerichtet werden, dass bewirkt wird, dass die interessierenden Ionen eine etwas andere Geschwindigkeit aufweisen als die Ionen, die für die Analyse nicht erforderlich sind (wie Matrixionen). Gemäß dieser Ausführungsform kommen im Wesentlichen nur interessierende Ionen am Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 des Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators im Wesentlichen zur gleichen Zeit an, zu der ein Extraktionsimpuls an den Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 angelegt wird. Die unerwünschten Matrix- oder Hintergrundionen, die zu einer Zeit ankommen, zu der ein Extraktionsimpuls nicht angelegt ist, werden daher nicht in den Drift- oder Flugzeitbereich des Massenanalysators beschleunigt.
Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform das Beschleunigen von Ionen 3 mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen auf vorzugsweise in etwa ähnliche Geschwindigkeiten betrifft, wodurch ermöglicht wird, dass eine Ionenquelle 1 wirksam mit einem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Flugzeit-Massenanalysators gekoppelt wird, wird auch erwogen, dass die zeitlich veränderlichen elektrischen Felder für das wirksame Transportieren von Ionen von oder zwischen anderen Bereichen oder Vorrichtungen in einem Massenspektrometer geeignet sein können. Beispielsweise können Ionen von einer 2D- oder 3D-Ionenfalle zum Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators oder einem anderen gewünschten Bereich transportiert werden. Alternativ kann dafür gesorgt werden, dass Ionen durchgelassen werden, so dass sie im Wesentlichen zur gleichen Zeit an einer Ionenfalle ankommen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Massenspektrometer eine Ionenquelle in der Art einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle (”MALDI-Ionenquelle”) 1, Mittel zum Kollisionskühlen von Ionen und Ionentransportmittel in der Art einer Wechselspannungs- oder HF-Ionenführung aufweisen. Stammionen können beispielsweise unter Verwendung eines Quadrupol-Massenfilters oder einer anderen Form eines Massenfilters ausgewählt werden. Die Fragmentation von Stammionen kann unter Verwendung einer Kollisions- oder Fragmentationszelle mit oder ohne HF- oder Wechsel-Einschlussfelder erreicht werden, worauf eine Beschleunigung auf eine in etwa konstante Geschwindigkeit von Stamm- und Fragmentionen in einen Extraktions- oder Beschleunigungsbereich eines Flugzeit-Massenanalysators folgt.
Weil die unterschiedliche Masse-Ladungs-Verhältnisse aufweisenden Ionen 3 vorteilhafterweise so beschleunigt bzw. verzögert werden können, dass sie im Wesentlichen zur selben Zeit an dem gewünschten Abschnitt des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 ankommen, ermöglicht es die bevorzugte Ausführungsform, dass die effektive oder erforderliche Länge des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 in einem MS-Betriebsmodus kürzer ist als bei herkömmlichen Extraktions- oder Beschleunigungsbereichen 10, die typischerweise 10–50 mm lang sind. Die verringerte Länge des effektiven oder erforderlichen Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 ermöglicht eine höhere Auflösung oder Spezifität der MS/MS-Stammionen, wenn der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 effektiv als ein zeitlich gesteuertes Ionengatter oder ein zeitlich gesteuerter Geschwindigkeitswähler verwendet wird.
Die effektive Länge oder Größe des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10 kann unter Verwendung einer schaltbaren mechanischen Öffnung (beispielsweise einer Gleitplatte) verkürzt werden, die zwischen dem Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 und dem Drift- oder Flugbereich angeordnet ist. Das Verringern der effektiven Größe oder Fläche des effektiven Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs ist besonders vorteilhaft bei einem MS/MS-Betriebsmodus, wenn ein Quadrupol- oder anderes Massenfilter nicht verwendet wird, um spezifische Stammionen zur Fragmentation auszuwählen, um die Spezifität zu erhöhen, mit der Stammionen und verwandte Fragmentionen orthogonal beschleunigt werden. Die einstellbare Natur der Öffnung ermöglicht es, dass der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 wieder verlängert wird, wenn der Massenanalysator in einem MS-Betriebsmodus betrieben wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Extraktions- oder Beschleunigungsbereich 10 eine Anzahl von Extraktionselektrodensegmenten aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform kann die effektive axiale Länge des Extraktions- oder Beschleunigungsbereichs 10, insbesondere in einem MS/MS-Betriebsmodus, nach Wunsch verkürzt oder geändert werden, indem nur einige, jedoch nicht alle Extraktionselektrodensegmente betrieben werden.
Wenngleich die vorstehend erwähnten bevorzugten Ausführungsformen unter Verwendung eines Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators beschrieben worden sind, kann gemäß weniger bevorzugten Ausführungsformen stattdessen ein Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Massenspektrometrie mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten elektrischen Feldbereichs zwischen wenigstens einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; Bereitstellen eines stromabwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordneten ersten feldfreien Bereichs; Bereitstellen eines Flugzeit-Massenanalysators mit einem Extraktionsbereich, wobei Ionen in stromabwärtiger Richtung durch den ersten feldfreien Bereich zu dem Flugzeit-Massenanalysator passieren; und zeitliches Variieren des Betrages eines ersten elektrischen Feldes, das an wenigstens einen Abschnitt des ersten elektrischen Feldbereichs angelegt ist durch Ändern des Potentials der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen, wobei der Betrag des ersten elektrischen Feldes mit der Zeit zunimmt, abnimmt, oder sich mit der Zeit sinusförmig oder kosinusförmig ändert, so dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die den ersten elektrischen Feldbereich durchlaufen, beschleunigt und/oder verzögert werden, so dass Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen zur gleichen Zeit an dem Extraktionsbereich ankommen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ionen mit einem ersten Masse-Ladungs-Verhältnis vor Ionen mit einem zweiten Masse-Ladungs-Verhältnis aus dem ersten elektrischen Feldbereich austreten, wobei das erste Masse-Ladungs-Verhältnis kleiner als das zweite Masse-Ladungs-Verhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste elektrische Feld bewirkt, dass unerwünschte Ionen zu einer zweiten verschiedenen Zeit an dem Extraktionsbereich ankommen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei wenigstens einige der an dem Extraktionsbereich zu der zweiten verschiedenen Zeit ankommenden unerwünschten Ionen anschließend nicht in den Extraktionsbereich beschleunigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die unerwünschten Ionen Matrix-, Hintergrund- oder Störionen umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige der Ionen mit unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen, die an dem Extraktionsbereich zur gleichen ersten Zeit ankommen, auch an der gleichen Position innerhalb des Extraktionsbereichs zur gleichen ersten Zeit ankommen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden und/oder eine oder mehrere Gitterelektroden umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden und/oder eine oder mehrere Gitterelektroden umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode aufweisen: (i) eine oder mehrere ringförmige Elektroden, (ii) eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, (iii) einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, (iv) einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol Oktupol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung oder (v) eine Anzahl von Elektroden mit dadurch verlaufenden Öffnungen, von denen Ionen durchgelassen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem weiter eine oder mehrere innerhalb des ersten elektrischen Feldbereichs angeordnete Elektroden verwendet werden, wobei das Potential von wenigstens einer der einen oder mehreren Elektroden zeitlich geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die eine oder die mehreren Elektroden aufweisen: (i) eine oder mehrere rohrförmige Elektroden, (ii) eine oder mehrere ringförmige Elektroden, (iii) eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, (iv) einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, (v) einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktupol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung oder (vi) eine Anzahl von Elektroden mit dadurch verlaufenden Öffnungen, von denen Ionen durchgelassen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag des ersten elektrischen Felds (i) linear mit der Zeit, (ii) nach einer quadratischen Rampenfunktion mit der Zeit, (iii) nach einer kubischen Rampenfunktion mit der Zeit, (iv) nach einer Potenz-Rampenfunktion mit der Zeit, (v) nach einer quadratischen Polynomfunktion oder einer Polynomfunktion höherer Ordnung mit der Zeit oder (vi) nach einer mehrstufigen Funktion mit der Zeit geändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Richtung des ersten elektrischen Felds parallel zur Ionenbewegungsrichtung verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Richtung des ersten elektrischen Felds geändert wird, während Ionen durch den ersten elektrischen Feldbereich laufen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste elektrische Feld bewirkt, dass wenigstens einige der durch den ersten elektrischen Feldbereich laufenden Ionen verzögert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste elektrische Feld bewirkt, dass wenigstens einige der durch den ersten elektrischen Feldbereich laufenden Ionen beschleunigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste feldfreie Bereich aus einer oder mehreren rohrförmigen Elektroden und/oder einer oder mehreren Plattenelektroden besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem weiter eine in dem ersten feldfreien Bereich angeordnete Kollisionszelle verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kollisions- oder Fragmentationszelle ein rohrförmiges Gehäuse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei Ionen nicht radial durch Pseudopotentialwannen in der Kollisionszelle eingeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, wobei keine Wechsel- oder HF-Spannungen an die Kollisionszelle angelegt werden, um ein radiales Einschließen von Ionen bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei weiter ein elektrostatischer Energieanalysator und/oder ein Massenfilter und/oder ein Ionengatter, das in dem ersten feldfreien Bereich stromaufwärts der Kollisions- oder Fragmentationszelle angeordnet ist, verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei weiter ein elektrostatischer Energieanalysator und/oder ein Massenfilter und/oder ein Ionengatter, das in dem ersten feldfreien Bereich stromabwärts der Kollisions- oder Fragmentationszelle angeordnet ist, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Massenfilter ein Magnetsektor-Massenfilter, ein HF-Quadrupol-Massenfilter oder ein Wien-Filter ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiter ein zweiter elektrischer Feldbereich, der stromaufwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordnet ist, verwendet wird wobei ein zweites elektrisches Feld über wenigstens einem Abschnitt des zweiten elektrischen Feldbereichs aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das zweite elektrische Feld zeitlich konstant bleibt, während Ionen durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das zweite elektrische Feld zeitlich geändert wird, während Ionen durch den zweiten elektrischen Feldbereich laufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei weiter ein zweiter feldfreier Bereich, der stromaufwärts des ersten elektrischen Feldbereichs angeordnet ist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei weiter ein zweiter feldfreier Bereich, der zwischen dem ersten elektrischen Feldbereich und dem zweiten elektrischen Feldbereich angeordnet ist, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei der zweite feldfreie Bereich durch eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder eine oder mehrere Plattenelektroden gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 28, 29 oder 30, wobei wenigstens einige der durch den zweiten feldfreien Bereich laufenden Ionen entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis räumlich und/oder zeitlich getrennt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiter eine stromaufwärts des Extraktionsbereichs angeordnete Längsbeschleunigungs-Gleichspannungslinse verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Extraktionsbereich eine Anzahl von Beschleunigungselektroden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die effektive Länge des Extraktionsbereichs durch Ändern der Anzahl der zum Beschleunigen von Ionen verwendeten Beschleunigungselektroden eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiter eine einstellbare Öffnung, einen einstellbaren Verschluss oder einen einstellbaren Strahlunterbrecher aufweist, der zwischen einer in dem Extraktionsbereich angeordneten Beschleunigungselektrode und einem stromabwärts des Extraktionsbereichs angeordneten Driftbereich angeordnet ist, wobei in einem Betriebsmodus die einstellbare Öffnung, der einstellbare Verschluss oder der einstellbare Strahlunterbrecher wenigstens einige Ionen, die von der Beschleunigungselektrode beschleunigt worden sind, daran hindert, in den Driftbereich weiterzulaufen, oder sie erheblich ausdünnt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flugzeit-Massenanalysator ein Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei der Flugzeit-Massenanalysator ein Längsbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator ist.