DE102004038661A1

DE102004038661A1 - Messzelle für Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer

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Publication number: DE102004038661A1
Application number: DE102004038661A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franzen; Evgenij Nikolaev
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: GB2417124A; DE102004038661B4; GB2417124B; US7368711B2; US20060027743A1; GB0516355D0

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messzelle für ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (FTMS) und auf ein damit durchführbares Messverfahren. DOLLAR A Die Erfindung stellt eine Messzelle bereit, die einerseits durch einen stirnseitigen Abschluss mit einem Hochfrequenzgitter eine reine Zyklotronbewegung der Ionen ohne die sonst übliche Magnetronbewegung erzeugt, und die andererseits durch eine Vielzahl von Detektionselektroden eine vervielfachte Zyklotronfrequenz misst, womit entweder eine erhöhte Massengenauigkeit oder eine kürzere Messzeit erreicht werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messzelle für ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (FTMS).
Die Erfindung stellt eine Messzelle bereit, die einerseits durch einen stirnseitigen Abschluss mit einem Hochfrequenzgitter eine reine Zyklotronbewegung der Ionen ohne die sonst übliche Magnetronbewegung erzeugt, und die andererseits durch eine Vielzahl von Detektionselektroden eine vervielfachte Zyklotronfrequenz misst, womit entweder eine erhöhte Massengenauigkeit oder eine kürzere Messzeit erreicht werden kann.
In Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern (ICR-MS) werden die Masse-zu-Ladungsverhältnisse m/z von Ionen durch ihre Zyklotronbewegungen in einem homogenen Magnetfeld hoher Feldstärke gemessen. Das Magnetfeld wird üblicherweise durch supraleitende Magnetspulen erzeugt, die in flüssigem Helium gekühlt werden. Sie bieten heute nutzbare Zellendurchmesser von etwa 6 bis 12 Zentimetern bei magnetischen Feldstärken von 7 bis 12 Tesla.
Die Ionenumlauffrequenz (Ionenzyklotronfrequenz) wird in ICR-Messzellen gemessen, die sich innerhalb des homogenen Teils des magnetischen Feldes befinden. Die ICR-Messzellen bestehen gewöhnlich aus vier Längselektroden, die sich in zylindrischer Anordnung parallel zu den magnetischen Feldlinien erstrecken und die Messzelle mantelförmig umschließen. Üblicherweise werden zwei dieser Elektroden dazu verwendet, achsennah eingebrachte Ionen auf ihre Zyklotron-Umlaufbahnen zu bringen (auf ihre Zyklotronbewegung), wobei Ionen jeweils gleichen Masse-zu-Ladungsverhälnisses möglichst phasengleich angeregt werden, um ein synchron umlaufendes Bündel von Ionen zu erhalten. Die beiden anderen Elektronen dienen dazu, den Umlauf der Ionen durch ihre Bildströme, die im Vorbeiflug der Ionen in den Elektroden induziert werden, zu messen. Man spricht üblicherweise von „Bildströmen", obwohl eigentlich die induzierten „Bildspannungen" gemessen werden. Einfüllen der Ionen in die Messzelle, Ionenanregung und Ionendetektion erfolgen in aufeinander folgenden Verfahrensphasen.
Weil das Masse-zu-Ladungsverhältnis der Ionen (im Folgenden einfach als „spezifische Masse", manchmal einfach auch nur als „Masse" bezeichnet) vor der Messung unbekannt ist, erfolgt die Anregung der Ionen durch eine Mischung von Anregungsfrequenzen. Die Mischung kann dabei eine zeitliche Mischung mit zeitlich ansteigenden Frequenzen sein (man spricht dann von einem „Chirp"), oder sie kann eine synchrone, durch Computer berechnete Mischung aller Frequenzen sein (einem „Sync Pulse"). Die synchrone Mischung der Frequenzen kann durch besondere Auswahl der Phasen so gestaltet werden, dass die Amplituden der Mischung auf den dynamischen Bereich des Digital-zu-Analog-Wandlers zur Herstellung der zeitlichen Analogspannungsverläufe für die Mischung begrenzt bleiben.
Die Bildströme, die durch die Ionen in den Detektionselektroden induziert werden, werden verstärkt, digitalisiert und durch Fourier-Analyse auf die darin vorkommenden Umlauffrequenzen untersucht. Die Fourier-Analyse transformiert dabei die originären Messungen in der „Zeitdomäne" in eine „Frequenzdomäne", man spricht deshalb auch von der Fourier-Transform-Massenspektrometrie (FTMS). Aus den als Peaks in der Frequenzdomäne erkennbaren Signalen werden dann die spezifischen Massen der Ionen und ihre Intensitäten bestimmt. Wegen der außergewöhnlich hohen Konstanz der verwendeten Magnetfelder und wegen der hohen Messgenauigkeit für Frequenzmessungen kann eine außergewöhnliche Genauigkeit der Massenbestimmung erzielt werden. Gegenwärtig ist die Fourier-Transform-Massenspektrometrie die genaueste Art aller Arten von Massenspektrometrie. Die Genauigkeit ist letztendlich nur von der Anzahl der Ionenumläufe abhängig, die durch die Messung erfasst werden können.
Die Längselektroden formen üblicherweise eine Messzelle mit quadratischem oder kreisrunden Querschnitt. Die zylindrische Messzelle enthält vier Zylindersegmente als Längselektroden. Zylindrische Messzellen werden am häufigsten benutzt, weil sie die beste Ausnutzung des magnetischen Feldes ergeben, wobei sich allerdings die Bildströme scharfer Bündel von Ionen einer Masse (Bildspannungen) einer Rechteckkurve nähern.
Weil die Ionen sich frei in Richtung der magnetischen Feldlinien bewegen können, müssen die Ionen, die vom Einfüllen her alle Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Magnetfelds besitzen, daran gehindert werden, die Messzelle zu verlassen. Um Ionenverluste zu vermeiden, sind daher die Messzellen an beiden Stirnseiten mit Elektroden ausgestattet, den so genannten „Trapping-Elektroden". Diese sind mit Ionen abstoßenden Gleichspannungspotentialen versehen, um die Ionen in der Messzelle zu halten. Es gibt sehr verschiedene Formen für dieses Elektrodenpaar; im einfachsten Fall handelt es sich dabei um plane Elektroden mit zentralem Loch. Das Loch dient der Einführung der Ionen in die Messzelle.
Die Ionen abstoßenden Potentiale bilden eine Potentialsenke im Inneren der Messzelle, mit einem parabelförmigen Potentialverlauf längs der Achse der Messzelle. Der Potentialverlauf hängt nur schwach von der Form dieser Elektroden ab. Der Potentialverlauf längs der Achse hat ein Minimum genau im Mittelpunkt der Messzelle, wenn die Ionen abstoßenden Potential an beiden Elektroden gleich hoch sind. Die eingeführten Ionen werden daher in dieser Potentialmulde Oszillationen in Achsenrichtung ausführen, die so genannten Trapping-Schwingungen, weil sie vom Einführen her noch kinetische Energie in Achsenrichtung besitzen. Die Weite dieser Trapping-Schwingungen hängt von ihrer kinetischen Energie ab.
Außerhalb der Achse der Messzelle ist das elektrische Feld komplizierter zu beschreiben, Es enthält zwangsläufig Feldkomponenten in radialer Richtung, die eine zweite Bewegungsart der Ionen erzeugen: die Magnetron-Kreisbewegung. Das Magnetron-Kreiseln ist ebenfalls eine kreisende Bewegung um die Achse der Messzelle, aber sehr viel langsamer als die Zyklotron-Kreisbewegung. Die zusätzliche Magnetron-Kreisbewegung führt dazu, dass die Mittelpunkte der Zyklotron-Kreisbewegungen mit der Magnetron-Frequenz um die Achse der Messzelle kreisen, dass die Bahn der Ionen also eine Zykloidenbewegung beschreibt.
Die Überlagerung von Magnetron- und Zyklotron-Kreisbewegung ist eine unschöne Erscheinung, die zu einer Frequenzverschiebung der Zyklotron-Frequenz führt. Außerdem führt sie zu einer Verkleinerung des nutzbaren Volumens der Messzelle. Die gemessene Frequenz ω_m (die "reduzierte Zyklotron-Frequenz" beläuft sich auf
wobei ω_c die ungestörte Zyklotron-Frequenz, und ω_t die Frequenz der Trapping-Schwingung ist. Die Trapping-Schwingung bestimmt den Einfluss der Magnetron-Kreisbewegung auf die Zyklotron-Kreisbewegung. Eine Messzelle ohne Magnetron-Kreisbewegung würde von großem Vorteil sein, weil die Zyklotron-Frequenz direkt gemessen werden könnte und keine Korrekturen angebracht werden müssten.
Das Vakuum in der Messzelle muss so gut wie möglich sein, weil während der Messung der Bildströme keine Stöße der Ionen mit Restgasmolekülen stattfinden sollten. Jeder Stoß eines Ions mit einem Restgasmolekül bringt das Ion aus der Umlaufphase der übrigen Ionen gleicher spezifischer Masse. Durch den Verlust an Phasenhomogenität kommt es zu einer Abnahme der Bildströme und zu einer kontinuierlichen Verminderung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, wodurch die nutzbare Messdauer herabgesetzt wird. Die Dauer der Messungen soll sich mindestens auf einige Hundert Millisekunden, idealer Weise auf einige Sekunden belaufen. Damit sind Vakua im Bereich von 10^–7 bis 10^–9 Pascal erforderlich.
Außer dem Vakuum kann auch die Raumladung in der Ionenwolke die Messung beeinträchtigen. Die Coulombsche Abstoßung der Ionen untereinander und vor allem die elastische Reflektion der sich in der Wolke bewegenden Ionen führt zu vielfältigen Störungen, die auch in einer Ausdehnung der Wolke münden. Die Raumladung stellt in heutigen Geräten neben den Druckeinflüssen die stärkste Begrenzung für ein Erreichen einer hohen Massengenauigkeit dar.
Für höhere spezifische Ionenmassen fällt die Zyklotron-Umlauffrequenz der Ionen umgekehrt proportional zur Masse ab. Das Auflösungsvermögen ist aber proportional zur Anzahl der gemessenen Umläufe; ist also für Ionen hoher spezifischer Massen kleiner als für leichte spezifische Massen, obwohl gerade für hohe Massen ein hohes Auflösungsvermögen und damit verbunden eine hohe Massengenauigkeit von besonders hohem Interesse sind. Es sind schon seit der Einführung von Ionenzyklotron-Massenspektrometern immer wieder Versuche unternommen worden, die Auflösung auch für höhere spezifische Ionenmassen zu erhöhen, indem durch eine höhere Anzahl von Detektionselektroden die Frequenz der Bildströme gegenüber der Zyklotronfrequenz erhöht wird. Werden statt der zwei Detektionse lektroden insgesamt 16 Detektionselektroden benutzt, so werden beide Phasen der Bildströme je achtmal gemessen, die gemessene Frequenz steigt um den Faktor acht. Es ist zu erwarten, dass Auflösungsvermögen und Massengenauigkeit ebenfalls um den Faktor acht steigen, wenn über die gleiche Messzeit gemessen wird.
Leider haben diese Versuche nur so mäßigen Erfolg gehabt, dass sie regelmäßig wieder aufgegeben wurden. Die Gründe für den mäßigen Erfolg sind nur unzureichend aufgeklärt. Es kann vermutet werden, dass sich die Ionenbündel nicht genügend gut zusammenhalten und sich daher nicht nahe genug an die Detektionselektroden heranführen lassen. Für schmale Elektrode ist es notwendig, die Ionenbündel recht nahe an die Detektionselektroden heranzuführen, da sonst kaum die vollen Bildströme induziert werden können.

Es sind jüngst Messzellen für die Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie bekannt geworden, in denen sich praktisch keine Magnetron-Kreisbewegung ausbilden kann. (E. Nikolaev, Vortrag auf der Internationalen Massenspektrometrie-Konferenz (IMSC) in Edinborough, September 2003). Dabei werden die Trapping-Elektroden durch feine Elektrodenstrukturen ersetzt, die mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden und daher Ionen beider Polaritäten durch ihr Pseudopotential reflektieren, wenn die Ionen eine spezifische Masse über einer Massenschwelle besitzen. Die Massenschwelle kann durch Hochfrequenzspannung eingestellt werden. Solche Elektrodenstrukturen sind aus US 5,572,035 (J. Franzen) bekannt. Das Pseudopotential hat eine sehr kurze Reichweite, die in der Größenordnung der Strukturelemente dieser Elektrodenstruktur liegt. Die Reflekion gleicht einer harten Reflexion an einer Mattscheibe, wobei die streuende Wirkung der Mattscheibe mit flacher werdendem Einfallwinkel abnimmt.

Ein HF-Feld um die Spitze eines Drahtes fällt nach außen proportional zu 1/r², das HF-Feld eines langen Drahtes fällt mit 1/r, wobei r der Abstand zur Spitze oder Achse des Drahtes ist. Beide HF-Felder stoßen positive wie auch negative Teilchen ab. Das Teilchen oszilliert im Hochfrequenzfeld. Unabhängig von seiner Ladung sieht es die am stärksten abstoßende Kraft, wenn es sich nahe am Draht befindet, also im Punkt der höchsten Feldstärke. Es sieht die am stärksten anziehende Kraft, wenn es sich am fernsten Punkt befindet, also am Punkt der geringsten Feldstärke auf seiner Oszillationsbahn. Integriert über die Zeit ergibt sich eine Abstoßung. Dieses zeitintegrierte Abstoßungspotential wird „Pseudopotential", manchmal auch „effektives Potential" oder „Quasi-Potential" genannt. Das Pseudopotential ist proportional zum Quadrat des HF-Feldes, fällt also mit 1/r² im Falle eines langen Drahtes nach außen ab. Das Pseudopotential ist außerdem umgekehrt proportional zur spezifischen Masse m/z der Teilchen und zum Quadrat ω² der Hochfrequenz ω. Es gibt eine untere Massenschwelle für die Reflexion der Teilchen.

Die relativ einfach herzustellende Oberfläche aus einem Gitter paralleler Drähte weist bereits ein Pseudopotential sehr kurzer Reichweite auf. Das HF-Feld eines Gitters mit Drähten von 0,1 Millimeter in Abständen von einem Millimeter fällt in einem Millimeter auf 5 %, in zwei Millimetern auf 0,2 %, und in drei Millimetern auf 0,009 %. Das Pseudopotential, das dem Quadrat dieses Feldes proportional ist, fällt noch wesentlich schneller: In einem Millimeter Entfernung herrscht nur noch ein Pseudopotential von 0,25 %, wie es aus 6 zu ersehen ist.

Die Ionen werden in diesen neuen Messzellen in Form eines feinen Ionenfadens ohne Magnetron-Bewegung gespeichert. Im Ionenfaden können die Ionen auf Grund ihrer kinetischen Energie in Achsenrichtung hin- und herlaufen, sie werden dabei an den Trapping-Elektroden jeweils hart reflektiert, wobei die leicht streuende Reflexion zu winzigen Zyklotron-Schraubenbewegungen der Ionen führt. Der Ionenfaden kann nun über entsprechende Chirp- oder Sync-Pulse als ganzes zu Zyklontron-Kreisbewegungen angeregt werden. Im kreisenden Ionenfaden nimmt auch die streuende Wirkung der Reflexionen ab, so dass der Ionenfaden nur sehr langsam im Durchmesser zunimmt. Dabei können diese langen Ionenfäden wesentlich mehr Ionen aufnehmen als bisherige Messzellen, ohne dass es zu störenden Einflüssen der Raumladung auf die Zyklotron-Kreisbewegung kommt. Auch die Raumladung lässt den Ionenfaden nur sehr langsam im Durchmesser zunehmen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messzelle bereitzustellen, die bei gleicher Messzeit eine höhere Massenauflösung und eine höhere Massengenauigkeit zu erzielen erlaubt als die bisher verwendeten Messzellen.

Die Erfindung stellt eine Messzelle bereit, deren Trapping-Elektroden an den Stirnseiten der Messzelle aus feinen Strukturelementen bestehen, wobei jeweils benachbarte Strukturelemente an verschiedenen Phasen einer Hochfrequenzspannung liegen, wodurch abstoßende Pseudopotentiale erzeugt und eine Zyklotron-Bewegung der Ionen ohne Magnetron-Bewegung ermöglicht wird. Die Messzelle enthält ferner eine Vielzahl an Detektionselektroden, wodurch eine Vervielfachung der gemessenen Frequenz der Bildströme in der Zeitdomäne gegenüber der Zyklotronfrequenz bewirkt wird. Dadurch wird die Massenauflösung und Massengenauigkeit erhöht. Eine Messzelle nach dieser Erfindung ist in 2 schematisch wiedergegeben, wobei die Strukturelementen der Trapping-Elektroden aus feinen parallelen Drähten bestehen.

Die Ausbildung eines feinen Ionenfadens für Ionen jeweils gleicher spezifischer Masse in einer solchen Zelle verhindert dabei, dass die Raumladung den Ionenfaden zu schnell radial zu seiner Achse ausdehnt. Bei günstiger Ausbildung der feinen Strukturelemente der Trapping-Elektroden nimmt der Durchmesser des Ionenfadens auch durch die Reflexionen an den Trapping-Elektroden nur langsam zu, so dass der feine Faden über längere Zeit erhalten bleibt, als das in bisherigen Messzellen der Fall ist. Das Fehlen der Magnetron-Bewegung lässt dann diesen feinen Ionenfaden näher an die Detektionselektroden heranführen, als das in Messzellen mit Magnetron-Bewegung möglich wäre.

Die Messzellen mit vielen mantelförmig einhüllenden Längselektroden können in verschiedener Weise betrieben werden. So ist es, wie in 9 dargestellt, in einer Zelle mit 24 Längselektroden beispielsweise möglich, zwölf Elektroden für die Messung zu verwenden, sechs Elektroden für einen Messpol und sechs für den entgegen gesetzten Messpol. Zweimal drei Elektroden werden für die dipolare Anregung der Ionen benutzt und zweimal drei Elektroden bleiben dauernd geerdet.

Es ist aber auch möglich, die Elektroden umzuschalten. So kann beispielsweise eine Messzelle mit 16 Elektroden so betrieben werden, dass zunächst zweimal vier gegenüberliegende Elektroden zur Anregung verwendet werden, und sodann, nach Umschalten, alle 16 Elektroden zur Messung der Zyklotronbewegung, wobei jeweils acht Elektroden zusammen geschaltet an einem Eingang des Verstärkers, und die acht dazwischen liegenden am anderen Eingang liegen.

Es ist zweckmäßig, die Umschalter möglichst nahe an die Messzelle zu bringen. Die Umschalter müssen außerdem sehr kapazitätsarm sein, um kein Übersprechen der Bildströme zu erlauben und möglichst geringe Nachweisverluste zu bewirken.

Die Frequenz der Hochfrequenzspannung an den Trapping-Elektroden muss weit oberhalb der Messfrequenz für die Ionenumläufe liegen. Günstig sind hier Frequenzen von 15 bis 20 Megahertz. Das Übersprechen dieser Hochfrequenzspannungen auf die Detektionselektroden kann durch entsprechende Ausbildung der Feinstrukturen der Trapping-Elektroden minimalisiert werden.

1 gibt das Schema eines üblichen Fourier-Transform-Massenspektrometers mit einer Messzelle (11) in einem Magneten (12) mit supraleitender Spule wieder.
2 zeigt das Prinzip einer zylindrischen Messzelle nach dieser Erfindung mit einer Gitterstruktur für die stirnseitigen Trapping-Elektroden und 16 Längselektroden. Die Messzelle ist rein schematisch ohne alle isolierenden Halter für die Längselektroden und die Trapping-Gitter und ohne alle elektrischen Anschlüsse gezeigt.
3 gibt den Potentialverlauf in der Achse von Messzellen verschiedener Bauart wieder: Kurve (50) gilt für bisherige Messzellen mit Gleichspannungs-Trapping-Elektroden, Kurve (51) für HF-Trapping-Elektroden.
4 zeigt schematisch eine quadratisch gezeichnete Gitterstruktur für die Trapping-Elektroden mit Anschlüssen für die Hochfrequenzspannung.
5 zeigt eine spiralförmige Gitterstruktur für die Trapping-Elektroden.
6 zeigt das abstoßende Pseudopotential dreier Drähte aus einer Gitterstruktur mit den Potentialsätteln dazwischen. Das Pseudopotential gleicht einem Gebirge mit Gebirgspässen (Potentialsätteln) zwischen hohen Bergen.
7 stellt eine elektronische Keramikplatine dar, die eine aufgedruckte Gitterstruktur enthält, wobei ein zentrales Loch durch eingelötete Drähte überbrückt wird. Das zentrale Loch dient der Einführung von Ionen.
8 zeigt die Rückseite einer Keramikplatine, die auch gleichzeitig zum Umschalten der Anschlüsse an die Längselektroden dient. Durch leichte Drehung kann zwischen Anregungsbeschaltung und Detektionsbeschaltung umgeschaltet werden.
9 stellt das Prinzip einer Messzelle dar, die genügend Längselektroden enthält, so dass keine Umschaltung notwendig ist.
10 gibt eine Unterteilung des Gitters der Trapping-Elektroden wieder. Die einzelnen Felder können zusätzlich zur Trapping-Hochfrequenzspannung mit gestuft abgeschwächten Anregungspulsen beschickt werden, um die Wirkung unendlich langer Anregungselektroden („Infinity Cell") zu simulieren.
11 zeigt eine angenäherte Unterteilung quer liegender Gitterfelder zum selben Zweck, aber nur grob angenähert.
Betrieb und Funktion eines Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers können anhand der 1 näher erläutert werden. Die Ionen werden beispielsweise durch Elektrosprühen in einer vakuumexternen Ionenquelle (1) erzeugt und zusammen mit Umgebungsgas durch eine Kapillare (2) in die erste Stufe (3) eines differentiellen Pumpssystems eingeführt, das aus den Kammern (3), (5), (7) und (9) besteht und von den Pumpen (4), (6), (8) und (10) bepumpt wird. Die Ionen werden durch die Ionenleitsysteme (5), (7) und (9) aufgefangen und zur Messzelle (11) geleitet und in ihr eingesperrt. Die Messzelle (11) besteht üblicherweise aus vier mantelförmig umschließenden Längselektroden und den beiden Trapping-Elektroden (17) und (18), die jeweils ein zentrales Loch besitzen. Die Messzelle befindet sich im homogenen Bereich eines starken Magnetfelds, dass durch supraleitende Spulen in einem Helium-Kryostat (12) erzeugt wird und eine hohe Konstanz der Magnetfeldstärke besitzt. Durch eine Glühkathode (13) können Elektronen erzeugt und in die Messzelle eingeführt werden, um eine Fragmentierung von Biopolymerionen durch Elektroneneinfang (ECD) zu bewirken. Ein Laser (16) kann einen Infrarot-Laserstrahl (15) durch ein Fenster (14) in die Messzelle schicken, um Ionen durch Infrarot-Multiphotonen-Dissoziierung (IRMPD) zu fragmentieren.
Die übliche Messzelle (11) wird erfindungsgemäß durch eine Messzelle ersetzt, die, wie in 2 schematisch dargestellt, viele Längselektroden mantelförmig um den zylindrischen Innenraum herum besitzt und an beiden Stirnseiten durch Trapping-Elektroden abgeschlossen wird, die aus feinen Strukturelementen an Hochfrequenzspannung bestehen. In 2 wird ein Drahtgitter verwendet. Das Hochfrequenzgitter ist so beschaltet, dass jeweils jeder zweite Draht des Gitters an einer Phase der Hochfrequenzspannung liegt, und die dazwischen liegenden Drähte an der anderen Phase, wie am Prinzip des quadratischen Gitters in 4 oder des spiraligen Gitters in 5 dargestellt. Dadurch ergibt sich insgesamt ein abstoßendes Pseudopotential, das auf Ionen beider Polaritäten wirkt, wie in US 5,572,035 im Einzelnen beschrieben wird. Ein solches Pseudopotential ist in 6 für die Umgebung dreier Drähte gezeigt. Das Pseudopotential besitzt gebirgspassförmige Übergangssättel zwischen den Drähten, die zur Befüllung der Messzelle verwendet werden können.
Die Drähte sind dabei möglichst so angeordnet, dass ihr kapazitives Übersprechen auf die Detektionselektroden minimal ist. Das kann durch entsprechende Abstände der einzelnen Gitterelemente zu den Detektionselektroden erreicht werden, besonders aber dadurch, dass jeweils gleich viele Drähte beider Phasen einer Detektionselektrode nahe kommen.
Durch die Wirkung der HF-Trapping-Elektroden ergibt sich in der Messzelle eine völlig andere elektrische Potentialverteilung als in üblichen Messzellen. Während sich in einer üblichen Messzelle eine parabelförmige Potentialverteilung längs der Achse wie in Kurve (50) der 3 ergibt, und weit komplizierte Potentialverteilungen außerhalb der Achse mit einem Sattelpunkt im Zentrum der Messzelle, sind innerhalb der erfindungsgemäßen Messzelle praktisch keine Potentialdifferenzen vorhanden. Wie Kurve (51) in 3 zeigt, gibt es nur ein Pseudopotential sehr kurzer Reichweite direkt vor den Trapping-Elektroden.
Das HF-Gitter der Trapping-Elektroden wird im einfachsten Fall einfach auf eine Keramikscheibe aufgedruckt, entsprechend der Technik für gedruckte Platinen oder der Technik für Mikrostrukturierung, wie in 7 gezeigt. Das zentrale Loch, das vorzugsweise einen Durchmesser von vier bis sechs Millimeter hat, kann durch sehr dünne, frei schwebende Drähte überbrückt werden, die auf die Platine aufgelötet werden. Die Keramikplatine kann dazu mit sehr feinen Löchern zum Spannen und Einlöten der Drähte versehen sein. Die Drähte können vorzugsweise 0,1 Millimeter dick sein und Abstände von 0,5 Millimeter haben. Es sind aber auch andere Dicken und Abstände möglich, so kann sich der Dickenbereich der Drähte von 0,02 bis zu 0,5 Millimeter erstrecken, der Abstandsbereich von 0,1 bis zu 1 Millimeter.
Statt der Keramikplatine kann auch eine Platine aus Spezialglas oder aus hochvakuumbeständigen Kunststoffmaterial verwendet werden. Statt der Drahtgitter können auch kompliziertere Elektrodenstrukturen eingesetzt werden, wie in US 5,572,035 beschrieben, beispielsweise eine Anordnung aus Spitzen, oder auch Mischungen aus Spitzenelektroden und einem Maschengitter, wobei in jeder Masche eine Spitze angeordnet ist.
Mit HF-Frequenzen von einigen Megahertz und Spannungen von einigen zehn Volt werden Pseudopotentialwälle von einigen Volt zwischen den Drähten eines Drahtgitters erzeugt. Das genügt, um die Ionen einsperren zu können. Die Ionen können bei verringerten Spannungen über die Potentialsättel zwischen den Drähten hinweg mit geringen kinetischen Energien von nur wenigen Elektronenvolt als feiner Ionenfaden in die Achse der Messzelle eingeschossen werden.
Die Längselektroden können zeitlich nacheinander erst zur Anregung der Ionen durch Chirp- oder Sync-Pulse und sodann zur Detektion verwendet werden. Dazu müssen nach der Anregung die Anschlüsse umgeschaltet werden. Die Umschaltzeiten sind nicht kritisch, es genügen Umschaltzeiten in der Größenordnung von Millisekunden. Damit kommen neben elektronischen Umschalteinheiten auch mechanische Umschalter in Betracht.
In 7 können beispielsweise die Elektroden (30), (31) und (32) zusammengeschaltet die eine Polarität der bipolaren Anregungspulse, und die Elektroden (36), (37) und (38) die andere Polarität tragen. Die Elektroden (33), (34), (35), (39), (40) und (41) sind an Masse geschaltet. Für die Detektion dagegen werden die Elektroden (30), (32), (34), (36), (38) und (40) zusammen an einen Eingang des Verstärkers, die restlichen Elektroden an den anderen Eingang gelegt. Gegenüber einem üblichen Betrieb mit nur zwei Detektionselektroden wird hier eine sechsfache Frequenz gemessen.
Die Umschaltung kann beispielsweise durch ein leichtes Drehen der Trapping-Elektrode selbst vorgenommen werden, wenn diese auf der Rückseite mit entsprechend federnden Kontakten und Schaltungen ausgerüstet ist, wie in 8 gezeigt. Die Anschlüsse (24) und (25) liegen am Verstärker für die Bildströme, die Anschlüsse (20) und (21) am Generator für die Anregungspulse. Das Drehen der Trapping-Elektrode kann mechanisch durch ein längeres Rohr von einer Stelle außerhalb des Magnetfeldes aus, aber auch pneumatisch oder hydraulisch vorgenommen werden. Eine besonders interessante Art des Drehens kann unter Ausnutzung des starken Magnetfeldes durch eine Spule bewirkt werden, die an der Platine befestigt ist und sie durch die Lorentz-Kraft dreht. Dazu ist es vorteilhaft, die Endstellungen der Platine leicht einrasten zu lassen und den Strom an der Spule wieder auszuschalten, um keine bleibende Störung des Magnetfeldes in der Messzelle zu erzeugen.
Die Umschaltung braucht nicht über mechanische Kontakte zu erfolgen; es sind auch elektronische Umschaltungen möglich. Die elektronische Umschalteinheit sollte sich aber sehr nahe an den Längselektroden befinden, um die Übersprech- und Streukapazitäten der Zuleitungen klein zu halten. Damit müssen sich die elektronischen Schalter im Magnetfeld befinden, was die Auswahl der Transistorarten einschränkt.
Werden mehr Längselektroden eingesetzt, als für die Detektion erforderlich sind, so ist auch ein Betrieb ohne Umschalten möglich, wie in 9 an einer Anordnung mit 24 Längselektroden gezeigt wird. Es sind dann allerdings etwa zehnmal höhere Anregungsspannungen notwendig, weil die Potentialverteilung der Anregungspulse im Inneren der Zelle nicht mehr so günstig ausgeformt sind.
Die Anregung der Ionenbündel zu Zyklotron-Bewegungen, die durch die Anregungselektroden bewirkt wird, hat aber bei der bisherigen Ausformung der Messzelle einen Nachteil. Durch die Trapping-Elektroden, die an Hochfrequenzspannung angeschlossen sind, liegt ein mittleres Potential an, das dem Massepotential entspricht. Dadurch erzeugen die Anregungs-Pulse an den Anregungselektroden im Inneren der Messzelle eine Potentialverteilung, die nicht in jedem Querschnitt durch die Messzelle gleich ist, sondern in Achsenrichtung variiert und vor den Trapping-Elektroden praktisch verschwindet. Für Trapping-Elektroden, die an Gleichspannung liegen, ist seit langem eine Anordnung bekannt, die als „Infinity Cell" bezeichnet wird ( DE 39 14 838 C2 ; M. Allemann und P. Caravatti). Diese Anordnung teilt die Trapping-Elektroden in Felder auf, an denen abgeschwächte Anregungs-Pulse so angelegt werden, dass sie die Wirkung unendlich langer Anregungselektroden simulieren. Die Felder simulieren die Potentialverteilung, die durch die Anregungspulse im Mittenquerschnitt der Messzelle herrscht.
Eine solche Anordnung kann auch für die Hochfrequenz-Gitter der Trapping-Elektroden eingeführt werden, wie aus 10 hervorgeht. An den einzelnen Feldern (70) bis (78) liegen dann Überlagerungen der Trapping-Hochfrequenzspannung mit den gestuft abgeschwächten Anregungspulsen an. Ohne Anregungspulse liegt die normale Trapping-Hochfrequenz an. Die stufenweise abgeschwächten Anregungspulse können durch kapazitive Spannungsteiler erzeugt werden. Die Felder können leicht durch Platinenätztechniken hergestellt werden. Sie werden durch feine durchkontaktierte Löcher von der Rückseite her mit elektrischen Zuführungen versehen. Die Enden der Drahtleiterbahnen an den Feldgrenzen werden am besten über Kreuz verpolt, um ein gleichmäßig verteiltes Pseudopotential vor dem Gitter aufrecht zu erhalten.
Eine solche Form der Zyklotron-Resonanz-Anregung mit einer möglichst konstanten Potentialverteilung in jedem Querschnitt durch die Messzelle ist hier besonders wichtig, weil ja der Ionenfaden von einer Trapping-Elektrode zur anderen reicht und möglichst in seiner ganzen Länge in gleicher Weise zu den Zyklotron-Kreisbewegungen angeregt werden soll. Sind die Anregungen über die Länge der Messzelle nicht überall gleich, so wird der Ionenfaden radial zu einem Flachband aufgeweitet, das nicht mehr maximale Spannungen in den Detektionselektroden induziert. Durch die Wirkung der Raumladung kann das Flachband der Ionen außerdem in Rotation geraten, was die Bildstromsignale weiter verschlechtert.
Eine vereinfachte Anordnung, die aber eine ähnliche Wirkung erzeugt, wird in 11 wiedergegeben. Hier liegen die stufenweise abgeschwächten Anregungspulse an den parallelen Gitterfeldern (80) bis (88) an, jeweils überlagert von den Trapping-Hochfrequenzspannungen.
In einem Magnetfeld von sieben Tesla beträgt die Zyklotronfrequenz eines einfach geladenen Ions einer Masse von 1000 vereinheitlichten atomaren Masseneinheiten (im Folgenden als Dalton bezeichnet) 107 Kilohertz. Sollen Ionen spezifischer Massen von 100 bis 3000 Dalton pro Elementarladung gemessen werden, so überstreichen die Zyklotronfrequenzen den Bereich von 35 Kilohertz bis zu rund einem Megahertz. Durch die Messung der Bildströme an 16 Längselektroden wird die gemessene Frequenz verachtfacht, überstreicht also den Bereich von 270 Kilohertz bis 8 Megahertz. Dieser Frequenzbereich muss verstärkt und digitalisiert werden.
In stärkeren Magnetfeldern von 9,4 oder 12 Tesla sind die Zyklotronfrequenzen entsprechend höher.
Damit die Frequenz der Trapping-Elektroden, die trotz sorgsamer Konstruktion auf die Detektionselektroden einstrahlt, durch entsprechende Filterung entfernt werden kann, muss die Trapping-Hochfrequenz oberhalb der zu verstärkenden Messfrequenzen liegen. Andererseits muss sie möglichst niedrig sein, da die Pseudopotentiale umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz abnehmen. Damit ergibt sich eine Trapping-Hochfrequenz von mindestens 10 bis 20 Megahertz.
Eine Messzelle nach der Erfindung hat folgende Vorteile:

– es wird ein angestrebtes Auflösungsvermögen in wesentlich kürzerer Messzeit erreicht; oder es wird in gleicher Messzeit ein wesentlich höheres Massenauflösungsvermögen und eine wesentlich verbesserte Massengenauigkeit erreicht,
– es werden keine Magnetron-Bewegungen erzeugt, daher kann die reine Zyklotronfrequenz der Ionen gemessen werden,
– die Messzelle kann positive und negative Ionen gleichzeitig aufnehmen und messen, wobei sich die Zyklotron-Kreisbewegungen einander entgegen gerichtet sind,
– die Messzelle hat eine weitaus höhere Aufnahmekapazität für Ionen, bevor Raumladungserscheinungen sich auf die Zyklotronfrequenz auswirken.

Der Betrieb eines Massenspektrometers mit einer erfindungsgemäßen Messzelle weicht nicht stark von dem Betrieb einer üblichen Messzelle ab. Als Füllprozess kann fast jeder bisher verwendete Prozess verwendet werden, wenn die Trapping-Hochfrequenzspannung an den Trapping-Elektroden vorübergehend durch eine Gleichspannung ersetzt wird. In diesem Fall ist die Füllung aber auf Ionen nur einer Polarität begrenzt. Eine Magnetronbewegung der Ionen verschwindet, wenn die Gleichspannung nach dem Befüllen wieder durch eine Trapping-Hochfrequenzspannung an den Strukturelementen der Trapping-Elektroden ersetzt wird.
Die Messzelle kann aber auch durch die Strukturen der Trapping-Elektroden hindurch befüllt werden, wenn eine Trapping-Hochfrequenzspannung anliegt. Dieser Füllprozess ist sogar einfacher. Während die Hochfrequenzspannung an der Trapping-Elektrode gegenüber dem Ioneneingang gleich hoch gehalten wird, wird die Spannung eingangsseitig herabgesetzt. Viele Ionen aus dem Ionenstrahl, der mit geringer Energie von etwa 1,5 bis 3 Elektronenvolt senkrecht zu den Trapping-Elektroden eingeschossen werden, können dann die Pseudopotentialsättel zwischen den Drähten passieren. Beim Passieren werden sie meist eine leichte seitliche Ablenkung erfahren, die sie zu einer Zyklotron-Schraubenbewegung mit winzigem Durchmesser zwingt. Dabei wird auch ein Teil der kinetischen Energie in Vorwärtsrichtung in eine solche der Schraubenbewegung umgewandelt. Bei der Rückkehr von der reflektierenden Elektrode auf der Rückseite der Messzelle verbietet es nun gerade diese Schraubenbewegung, dass sie die Pseudopotentialsättel rückwärts überwinden können; damit sind sie eingesperrt.
Ein besonders günstiges Verfahren zum Befüllen der Messzelle bietet sich, wenn die Ionen in einem Speicher außerhalb des Magnetfeldes zwischengespeichert werden können. Eine solche Zwischenspeicherung kann beispielsweise im Abschnitt (7) des Ionenleitsystems aus 1 vorgenommen werden. Die Ionen aus der Zwischenspeicherung werden zur Befüllung mit einer kinetischen Energie von 1,5 bis 3 Elektronenvolt in Richtung Messzelle geschickt. Dabei tritt eine Separation nach spezifischen Massen auf, da die leichteren Ionen schneller fliegen. Sind nun die leichtesten Ionen in die Messzelle eingetreten, so wird die Trapping-Hochfrequenzspannung in einer solchen Weise kontinuierlich erhöht, dass das Pseudopotential, das ja umgekehrt proportional zur spezifischen Masse der Ionen wirkt, für die ankommenden Ionen konstant bleibt. Die vorher eingetretenen Ionen, die ja leichter sind, können dann nicht mehr aus der Messzelle entkommen. Dieser Füllprozess ist sehr effektiv und einfach.
Moderne FTMS-Geräte sind üblicherweise mit vakuumexternen Ionenquellen (1) ausgerüstet, wie Elektrosprüh-Ionisierung (ESI), chemische Ionisierung an Atmosphärendruck (APCI), Photoionisation bei Atmosphärendruck (APPI) oder matrix-unterstützte Laserdesorption bei Atmosphärendruck (AP-MALDI). Die Ionen werden, zusammen mit sauberen Umgebungsgas, durch eine geeignete Kapillare (2) ins Vakuum des Massenspektrometers eingeleitet. Die Ionen werden dann, geführt von Ionenleitsystemen (5), (7) und (9), in mehreren differentiellen Pumpstufen vom Umgebungsgas getrennt. Zumeist ist eine der Stufen des Ionenleitsystems, beispielsweise die Stufe (7), als Quadrupolfilter ausgebildet, das in der Lage ist, Ionen einer spezifischen Masse (oder einen kleinen Massenbereichs) auszuwählen, wobei alle anderen Ionen durch Bahninstabilitäten im Hochfrequenz-Quadrupolfeld entfernt werden. Solche Instrumente werden als QFTMS abgekürzt. Durch das Quadrupolfilter lässt sich die Messzelle gezielt mit Ionen einer spezifischen Masse füllen, oder mit der Isotopengruppe der Ionen einer Substanz.
In dieser Weise ausgewählte Ionen lassen sich dann in der Messzelle zu so genannten Tochterionen fragmentieren. Diese Tochterionen geben Auskunft über innere Strukturen der Ionen. Beispielsweise können die Aminosäuresequenzen von Proteinen oder Peptiden auf diese Weise bestimmt werden.
Für die Fragmentierung in der Messzelle stehen in modernen FTMS-Geräten zwei verschiedene Verfahren zur Verfügung, die auch in der erfindungsgemäßen Messzelle verwendet werden können: die so genannte Elektroneneinfang-Dissoziierung (ECD = electron capture dissociation) und die Multiphotonen-Dissoziierung durch Infrarot-Strahlung (IRMPD = infrared multiphoton dissociation). Beide Arten der Fragmentierung arbeiten ohne jedes Kollisionsgas, stören also die Funktion der Messzelle nicht, und wirken besonders gut für doppelt geladene Ionen. Für negativ geladene Ionen kommt noch die Fragmentierung durch Elektronenentfernung (EDD = electron detachment dissociation) hinzu.
IRMPD wird in der Messzelle durch Einstrahlung von Infrarot-Licht (15) eines Infrarot-Lasers (16) durch ein Fenster (14) in der Vakuumwand bewirkt. Die Infrarot-Strahlung gelangt durch das Loch in den Trapping-Elektroden in die Messzelle. Die Ionen dürfen sich dabei nicht auf Zyklotron-Kreisbewegungen befinden, die Fragmentierung wird daher vor der Anregung der Ionen durchgeführt. Die Ionen nehmen Energie portionenweise durch Photonenabsorption auf, bis sie schließlich durch Lösen der Bindungen geringer Bindungsenergien zerfallen. Die Spektren gleichen denen, die durch niederenergetische Stoßfragmentierung (CID = collisionally induced dissociation) erhalten werden.
Elektroneneinfang (ECD) ist ein davon vollständig verschiedener Fragmentierungsprozess. Diese Art der Fragmentierung ist auf Biopolymere, insbesondere auf Proteine und Peptide, beschränkt. Fangen doppelt (oder mehrfach) geladene Biopolymere, wie sie bevorzugt durch Elektrosprühen erzeugt werden, ein Elektron ein, so geschieht das an einer Stelle, an der ein Proton haftet. Diese Stelle des Biopolymerrückgrats wird durch die Neutralisierungsenergie gespalten, ohne dass andere Stellen verändert werden. Es dürfen dabei nur niederenergetische Elektronen angeboten werden, da nur sie zur gewünschten Art der Fragmentierung führen. Der besondere Vorteil dieser Fragmentierung ist, dass bevorzugt so genannte c-Brüche entstehen, die ein relativ leichtes Ablesen der Aminosäuresequenz erlauben.
Die niederenergetischen Elektronen werden üblicherweise durch eine Glühkathode erzeugt, die schwach beschleunigten Elektronen driften dann längs der magnetischen Feldlinien zu der Wolke von Ionen. Diese Art der Elektronenerzeugung kann auch in der erfindungsgemäßen Messzelle verwendet werden. Die Geschwindigkeit auch der niederenergetischen Elektronen (etwa drei Elektronenvolt) ist bereits so hoch, dass sie in den Nullphasen der Trapping-Hochfrequenzspannung durch die Strukturelemente der Trapping-Elektroden hindurchwandern können. Die Durchlassfenster um die Nullphasen herum sind relativ breit, da selbst relativ hohe elektrische Querfelder zwischen den Drähten nur zu winzigen Zyklotronschraubenbewegungen der Elektronen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern führen. Das hohe Magnetfeld hält die Elektronen sehr stabil auf einer Bahn längs der Feldlinien.
Niederenergetische Elektronen können aber auch durch die Einstrahlung von UV-Laserstrahlen auf die Strukturelemente der Trapping-Elektroden erzeugt werden.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers mit einer Messzelle nach dieser Erfindung kann beispielsweise so aussehen:

(a) Es wird ein starkes homogenes Magnetfeld bereitgestellt,
(b) im Magnetfeld wird die erfindungsgemäße Messzelle bereitgestellt,
(c) die Strukturelemente der Trapping-Elektroden werden mit Hochfrequenzspannung versorgt,
(d) die Messzelle wird mit einer vorgegebenen Anzahl von Ionen befällt,
(e) die Längselektroden der Messzelle werden auf eine Anregung der Ionen umgeschaltet,
(f) Die Ionen werden durch Anregungspulse mit einem Gemisch von Frequenzen zu Zyklotron-Kreisbewegungen angeregt,
(g) die Längselektroden werden für die Messung der Bildströme umgeschaltet,
(h) die Bildströme, die durch die kreisenden Ionen der verschiedenen spezifischen Ladungen in den Detektionselektroden erzeugt werden, werden verstärkt und digitalisiert,
(i) die digitalisierten Messwerte der Zeitdomäne werden durch Fourier-Transformation in die Frequenzdomäne transformiert, und
(j) die Frequenzen der Ionensignale werden in Massen umgerechnet.

Dieses Verfahren ist aber nur ein Verfahren unter mehreren möglichen, wie schon während der Beschreibung der apparativen Möglichkeiten der neuen Messzelle deutlich geworden ist. So kann beispielsweise statt der Umschaltung der Längselektroden auch eine Anordnung mit starren Verbindungen gewählt werden, wobei allerdings höhere Anregungsspannungen anzuwenden sind.
Mit der Kenntnis der Erfindung ist es dem Fachmann auf diesem Gebiet möglich, weitere Ausformungen der Messzelle und der damit möglichen Verfahren für seine spezielle Messaufgabe zu entwerfen.

Claims

Messzelle für ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer, gekennzeichnet durch Trapping-Elektroden, die aus feinen Strukturelementen bestehen, wobei benachbarte Strukturelemente an verschiedenen Phasen einer Trapping-Hochfrequenzspannung liegen, und mehr als zwei Längselektroden für die Detektion der Bildströme.
Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trapping-Elektroden aus feinen Gittern aus Drähten oder Leiterbahnen bestehen, wobei benachbarte Drähte oder Leiterbahnen an verschiedenen Phasen der Trapping-Hochfrequenzspannung liegen.
Messzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens acht Längselektroden aufweist und einen Schalter besitzt, der die Längselektroden von einem Betrieb zu einer Anregung der Ionen zur Zyklotronbewegung auf einen Messbetrieb für die Bildströme umschalten kann.
Messzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie acht, zwölf oder sechzehn Längselektroden aufweist.
Messzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens acht Längselektroden aufweist, von denen mindestens vier fest zur Detektion und mindestens zwei einander gegenüberliegende Längselektroden fest zur Anregung der Ionen zu Zyklotronbewegungen verwendet werden.
Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der Trapping-Elektroden auf Keramikplatten, auf Glas oder auf Kunststoffplatinen mit Techniken gedruckter Platinen aufgebracht wurden und lediglich ein zentrales Loch durch frei tragende Drähte überspannt wird.
Messzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der Trapping-Elektroden in Felder aufgeteilt sind, die die Potentialverteilung der Anregungselektroden so nachformen, wie sie in einem Mittenquerschnitt der Messzelle herrscht, und dass diese Felder so mit Gemischen von Trapping-Hochfrequenzspannung und stufenweise abgeschwächten Anregungspulsen beschickt werden, dass die elektrischen Anregungsfelder in der Messzelle in jedem Querschnitt durch die Messzelle möglichst ähnlich werden.
Ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektometer, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
Ionenzyklotronresonanz-Massenspektometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspannung an den Trapping-Elektroden temporär durch Gleichspannungen ersetzt werden können.
Ionenzyklotronresonanz-Massenspektometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Elektronenquelle für die Erzeugung niederenergetischer Elektronen enthält.
Ionenzyklotronresonanz-Massenspektometer nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Infrarotlaser für eine Multiphotonen-Dissoziierung enthält.