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Die
Erfindung bezieht sich auf Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem
Ionen-Einschuss, dem
die Ionen durch ein Hochfrequenz-Ionenleitsystem zugeführt werden.
Der Einschuss der Ionen in den Pulser des Flugzeitmassenspektrometers
ist wegen der massenabhängigen
Geschwindigkeit mit einer Massendiskriminierung verbunden, wobei
sich durch die Wahl der Einschussparameter ein optimal aufzunehmender
Massenbereich des Massenspektrums einstellen lässt.
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Die
Erfindung besteht darin, zumindest ein Teilstück des Ionenleitsystems als
Ionenspeicher auszuführen,
den gefüllten
Ionenspeicher portionenweise und massenselektiv zu leeren, die Ionenportionen
dem Pulser zuzuführen
und die Massenselektivität
des Leerungsvorgangs dazu zu verwenden, jeweils eine für den Massenbereich
der zugeführten
Ionen optimale Füllung
des Pulsers einzustellen.
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Stand der
Technik
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Flugzeitmassenspektrometer
mit Einschuss eines Primärionenstrahls
orthogonal zur Flugstrecke werden als OTOF bezeichnet (orthogonal
time-of-flight mass spectrometer). 1 stellt
ein solches OTOF dar. Sie besitzen einen so genannten Pulser (12)
am Anfang der Flugstrecke (20), der einen Ausschnitt des
Primärionenstrahls,
also ein fadenförmiges
Ionenpaket, rechtwinklig zur bisherigen Strahlrichtung in die Flugstrecke
hinein beschleunigt. Dabei bildet sich ein bandförmiger Sekundärionenstrahl
(19), der aus einzelnen fadenförmige Ionenpaketen für die Ionen
verschiedener Massen besteht, und in dem leichte Ionen schnell und
schwerere Ionen langsamer fliegen. Die Flugrichtung dieses bandförmigen Sekundärionenstrahls
liegt zwischen der bisherigen Richtung des Primärionenstrahls und der dazu
rechtwinkligen Beschleunigungsrichtung. Ein solches Flugzeitmassenspektrometer
wird vorzugsweise mit einem geschwindigkeitsfokussierenden Reflektor
(13) betrieben, der den bandförmigen Sekundärionenstrahl
(19) mit den fadenförmigen
Ionenpaketen in seiner ganzen Breite reflektiert und auf einen ebenfalls
flächig
ausgedehnten Detektor (14) lenkt.
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Unter
dem Begriff „Masse" werde hier immer die „ladungsbezogene
Masse" m/z verstanden,
die allein in der Massenspektrometrie eine Rolle spielt, und nicht
einfach die „physikalische
Masse" m. Die Zahl
z gibt die Anzahl der Elementarladungen an, also die Anzahl der überschüssigen und
nach außen als
Ionenladung wirksamen Elektronen oder Protonen des Ions. Ausnahmslos
kann in allen Massenspektrometer immer nur die ladungsbezogene Masse
m/z gemessen werden, nicht die physikalische Masse m selbst. Die
ladungsbezogene Masse ist der Massenbruchteil pro Elementarladung
des Ions. Unter „leichten" oder „schweren" Ionen werden hier sinngemäß immer
Ionen mit geringer oder hoher ladungsbezogener Masse m/z verstanden.
Auch der Begriff „Massenspektrum" bezieht sich grundsätzlich immer
auf die ladungsbezogenen Massen m/z.
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Der
Pulser (12) arbeitet in der Regel mit 10 bis 20 Kilohertz.
Wird ein Flugzeitmassenspektrometer betrachtet, das mit 16 Kilohertz
arbeitet, so werden also pro Sekunde 16 000 Einzelmassenspektren aufgenommen,
die in einem Transientenrekorder digitali siert und zu Summenspektren
addiert werden. Die Additionszeit ist wählbar: Die Addition kann ein Zwanzigstel
Sekunde dauern, dann können
etwa 800 Einzelmassenspektren zu einem Summenspektrum zusammengefasst
werden. Die Addition kann aber auch über zehn Sekunden erfolgen
und 160 000 Einzelmassenspektren im Summenspektrum umfassen. Letzteres
Summenspektrum hat dann einen sehr hohen dynamischen Messbereich
für die
Ionen im Spektrum.
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Die
Ionen, deren Massenspektrum gemessen werden soll, bestehen im Allgemeinen
nicht aus einer einheitlichen Ionensorte, sondern bilden ein Gemisch
aus leichten, mittelschweren und schweren Ionen. Der Massenbereich
kann dabei sehr weit sein: In Verdaugemischen von Proteinen, beispielsweise, reicht
der Massenbereich von einzelnen Aminosäure-Ionen bis zu Peptiden mit
etwa 40 Aminosäuren, also
von Masse 58 Dalton bis zu etwa 5000 Dalton.
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In
dem Flugzeitmassenspektrometer der 1 wird der
Primärionenstrahl
mit Hilfe eines Linsensystems (11) aus einem Hochfrequenz-Ionenleitsystem
(10) herausgezogen und mit geringer Energie von nur etwa
20 Elektronenvolt in den entleerten Pulser (12) eingeschossen.
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Die
Einschussvorgang in den Pulser diskriminiert nach Massen: Wird dieser
Einschussvorgang für
den Pulser (12) nach kurzer Dauer durch Auspulsen der Ionen
in die Flugstrecke (20) abgebrochen, so haben sehr leichte
Ionen bereits das Ende des Pulsers (12) erreicht, mittelschwere
Ionen sind nur wenig in den Pulser (12) eingedrungen, aber
schwere und damit langsame Ionen sind noch gar nicht bis zum Pulser
(12) gekommen. Der ausgepulste Ionenstrahl (19)
enthält
daher nur leichte und einige wenige mittelschwere Ionen. Schwere
Ionen sind überhaupt
nicht enthalten. Im Kontrast dazu werden bei sehr langer Einschussdauer,
bei der die schweren Ionen bis zum Ende des Pulsers (12)
vorgedrungen sind, diese schweren Ionen bevorzugt im ausgepulsten
Ionenstrahl (19) enthalten sein, da die mittelschweren
und leichten Ionen mit ihrer hohen Geschwindigkeit den Pulser (12)
bereits größtenteils wieder
verlassen haben.
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Für jeden
ausgewählten
Massenbereich des Massenspektrums gibt es somit einen optimalen Startzeitpunkt
und eine optimale Dauer für
den Einschussvorgang, wie auch bereits aus
US 6,285,027 B1 (I. Chernushevich
und B. Thompson) prinzipiell bekannt ist. Die Einstellung für einen
bevorzugten Massenbereich kann über
Startzeitpunkt und Dauer des Einschusses in den Pulser erfolgen,
die über eine
elektrische Beschaltung des Linsensystems (
11) geregelt
werden können.
Die Energie der eingeschossenen Ionen stellt prinzipiell einen weiteren
Parameter dar; diese Energie der eingeschossenen Ionen ist jedoch
meist nicht oder nur in sehr engen Grenzen variierbar, da sie durch
die Geometrie des Flugzeitmassenspektrometers, insbesondere durch den
Abstand zwischen Pulser (
12) und Detektor (
14), festgelegt
ist.
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Es
ist aber das Einschussverfahren für den Pulser bei gegebener
Energie nicht nur nach Startzeitpunkt und Dauer zu optimieren, es
muss auch ein optimal feiner Ionenstrahl erzeugt werden, um ein
hohes Auflösungsvermögen des
Flugzeitmassenspektrometers zu erhalten. Fliegen alle Ionen genau
in der Achse des Pulsers (12) hintereinander her und haben die
Ionen keine Geschwindigkeitskomponenten quer zum Primärionenstrahl,
so lässt
sich theoretisch – leicht
einsehbar – ein
unendlich hohes Massenauflösungsvermögen erreichen,
weil alle Ionen gleicher Masse als fast unendlich dünnes fadenförmiges Ionenpaket
genau in der gleichen Front fliegen und zu genau derselben Zeit
auf den Detektor (14) aufprallen. Hat der Primärionenstrahl
(und damit das fadenförmige
Ionenpaket) einen endlichen Querschnitt, aber kein Ion eine Geschwindigkeitskomponente quer
zur Strahlrichtung, so lässt
sich in bekannter Weise durch eine Raumfokussierung des Pulsers (12)
wiederum theoretisch eine unendlich hohe Massenauflösung erreichen.
Die hohe Massenauflösung lässt sich
sogar noch dann erreichen, wenn zwischen dem Ionenort (gemessen
von der Strahlachse des Primärstrahls
aus in Richtung der Beschleunigung) und der Ionenquergeschwindigkeit
im Primärstrahl
in Richtung der Beschleunigung eine strikte Korrelation besteht.
Besteht jedoch keine solche Korrelation, das heißt, sind Ionenorte und Ionenquergeschwindigkeiten
statistisch verteilt ohne eine Korrelation zwischen beiden Verteilungen,
so lässt
sich keine hohe Massenauflösung
erreichen.
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Es
ist also neben der Optimierung des Einschussvorganges in Bezug auf
den Massenbereich der angebotenen Ionen auch eine Konditionierung des
Primärionenstrahls
in Bezug auf Orts- und Geschwindigkeitsverteilung erforderlich,
um gleichzeitig einen hohen Massenbereich mit geringer Massendiskriminierung
und eine hohe Massenauflösung
im Flugzeitmassenspektrometer zu erreichen. Diese Konditionierung
des Ionenstrahls erfordert es, gut durch Stöße im neutralen Stoßgas beruhigte
und so thermalisierte Ionen durch ein sehr gutes Linsensystem (11)
sehr fein aus der Achse des Ionenleitsystems (10) herauszuziehen.
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Ionenleitsysteme
wie das Leitsystem (10) sind in der Regel als multipolare,
mit Stoßgas
befüllte Hochfrequenz-Stabsysteme
ausgebildet. Die Ionen geben durch Stöße mit dem Stoßgas ihre
kinetische Energie ab und sammeln sich im Minimum des Pseudopotentials,
also in der Achse des Stabsystems. Dieser Vorgang wird „Stoßfokussierung" genannt. Das Minimum
des Pseudopotentials ist für
leichte Ionen ausgeprägter
und steiler als für
schwere Ionen, daher sammeln sich die leichten Ionen genau in der Achse,
und die schwereren Ionen etwas außerhalb, von der coulombschen
Abstoßung
der leichten Ionen auf Abstand gehalten, wie schematisch in 2a wiedergegeben.
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Wird
ein Ionenleitsystem als Ionenspeicher benutzt, der nicht kontinuierlich
nachgefüllt
wird, und werden zur Erzeugung eines feinen Ionenstrahls die Ionen
achsennah herausgezogen, so tritt eine weitere Massendiskriminierung
ein: es werden zuerst die leichten, achsennahen Ionen herausgezogen
und erst später,
bei Ausschöpfung
der leichten Ionen, die schwereren. Die schwereren Ionen rücken bei
Entnahme der leichteren automatisch in die Achsennähe nach,
wie in den 2b und 2c dargestellt. Der
Effekt ist besonders groß bei
Verwendung eines Quadrupol-Stabsystems, das unter allen Multipol-Stabsystemen die
schärfste
Ausprägung
eines Minimums des Pseudopotentials hat. Andererseits lässt sich
mit einem Quadrupol-Stabsystem der feinste Strahlquerschnitt erzeugen,
womit wiederum das Flugzeitmassenspektrometer sein bestes Auflösungsvermögen zeigt.
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Wird
ein Ionenspeicher dagegen kontinuierlich mit Ionen befüllt, so
werden dauernd bevorzugt leichte Ionen herausgezogen. Die schweren
Ionen sind stark diskriminiert. Bei starker Befüllung des Ionenspeichers kann
es vorkommen, dass die schweren Ionen überhaupt nicht herausgezogen
werden, sondern im Ionenspeicher verloren gehen. Um diesen Nachteil
ein wenig abzumildern, werden bei heutigen Flugzeitmassenspektrometern
meist Hexapol-Stabsysteme verwendet, die aber wiederum leicht nachteilig
für die
Auflösung
sind.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für ein Flugzeitmassenspektrometer mit
orthogonalem Ioneneinschuss bereitzustellen, das nur minimale Massendiskriminierung
aufweist und bei guter Ausnutzung der Ionen eine Spektrenaufnahme
hoher Massenauflösung über einen
weiten Massenbereich zulässt.
Auch ein geeignetes Flugzeitmassenspektrometer ist bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung besteht darin, die Ionen aus einem Ionenspeicher massenselektiv
in einzelnen Portionen zu entnehmen, die Ionenportionen dem Pulser des
Flugzeitmassenspektrometers zuzuführen und das Zuführungsverfahren
jeweils optimal an den Massenbereich der herausgeführten Ionenportionen anzupassen.
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Das „Entnehmen" der Ionen soll hier
nicht bedeuten, dass die Ionen von außen herausgezogen werden müssen. Es
soll der Begriff „Entnehmen" auch jeden Vorgang
mit umfassen, bei dem Ionen innerhalb des Ionenspeichers irgendwie
angeregt und ausgeworfen werden.
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Es
sei hier die Erfindung beispielsweise an einer Ausführungsform
erläutert,
die dem Flugzeitmassenspektrometer der 1 entspricht.
Dabei wird das Ionenleitsystem (10) durch eine entsprechende
elektronische Versorgung der eingangs- und ausgangsseitigen Linsensysteme
als Ionenspeicher betrieben. Vorzugsweise wird ein quadrupolarer
Ionenspeicher verwendet, der mit einem Stoßgas eines Drucks im Bereich
von 0,001 bis 1 Pascal beschickt ist. Der Ionenspeicher wird in
getakteten Zeitabständen
gefüllt
und jeweils über
mehrere Perioden des Pulsers hinweg portionenweise entleert; die
Entleerung muss dabei nicht vollständig sein. Die Entnahme der
Ionen ist massenselektiv: durch das Linsensystem (11) werden
zunächst
dem Ionenspeicher (10) die leichtesten Ionen entzogen,
die sich stoßfokussiert
in der Achse gesammelt haben. Jede entnommene Ionenportion wird
einzeln in den Pulser eingeschossen. Sind die leichteren Ionen verbraucht, so
rücken
zunehmend schwerere Ionen in die Nähe der Achse und können nunmehr
extrahiert werden, wie in den 2a, 2b und 2c schematisch
dargestellt. Für
weitere Pulsperioden des Pulsers (12) werden also zunehmend
schwerere Ionen entnommen und in den Pulser (12) eingeschossen. Dabei
wird dann jeweils das Einschussverfahren in den Pulser (12)
an die Masse der entnommenen Ionen angepasst.
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Da
jede entnommene Ionenportion nur einen beschränkten, relativ kleinen Massenbereich
umfasst, ist durch die Wahl der Entnahmezeit und der Entnahmedauer
durch das Linsensystem (11), erstere bezogen auf den Auspulsungszeitpunkt
des Pulsers (12), stets eine optimale Anpassung des Einschussverfahrens
an den Massenbereich der Ionenportionen möglich. Da es weitgehend vermieden
werden kann, dass ein Teil der Ionen den Pulser entweder schon wieder
verlässt
oder nicht erreicht, treten nur geringe Ionenverluste auf.
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Die
Erfindung soll aber nicht nur auf die hier als Beispiel geschilderte
massenselektive Entnahme stoßfokussierter
Ionen aus dem Ionenspeicher durch eine Schaltlinse beschränkt sein.
Es gibt auch andere Verfahren, Ionen in massenselektiver Weise axial aus
einem Hochfrequenz-Ionenspeicher herauszuführen, beispielsweise durch
resonantes Auspulsen (WO 2004/086441 A2; B. Reinhold) oder durch
Ejektion im Streufeld (WO 97/47 025 A1; J. W. Hager). Diese Verfahren
werden hier nicht bevorzugt, weil sie komplexere Steuerungen benötigen oder
langsam sind, sollen aber gleichwohl von der Erfindung umfasst werden.
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Da
im Vorhinein nicht bekannt ist, wie sich die Ionen quantitativ aus
leichten und schweren Ionen zusammensetzen, kann eine besondere
Rücksteuerung
in Echtzeit erfolgen. Es werden dazu die Summenspektren nach ihrer
Aufnahme sofort analysiert und die Analysendaten für eine Steuerung
der Anpassung der Startzeiten verwendet. Die Zusammensetzung der
Ionen ändert
sich regelmäßig nur recht
langsam.
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Kurze Beschreibung
der Abbildungen
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1 zeigt
schematisch ein Flugzeitmassenspektrometer, wie es dem Stand der
Technik entspricht und auch für
die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Ein Betrieb mit Zwischenspeicherung der Ionen sieht wie folgt aus:
In einer Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) werden
an Atmosphärendruck
Ionen erzeugt, die durch eine Kapillare (3) ins Vakuumsystem
gebracht werden. Ein Ionentrichter (4) leitet die Ionen
durch ein Linsensystem (5) in einen ersten Ionenspeicher
(6), aus dem Ionen geschaltet durch ein weiteres Linsensystem
(7, 8, 9) in einen zweiten Ionenspeicher
(10) überführt werden
können.
Die Ionenspeicher (6) und (10) werden durch eine
Gaszuführungseinrichtung mit
Stoßgas
beschickt, um die Ionen durch Stöße zu fokussieren.
Aus dem Ionenspeicher (10) wird durch die Schaltlinse (11)
jeweils der Pulser (12) mit Ionen beschickt. Der Pulser
pulst einen Abschnitt des Ionenstrahls orthogonal in die Driftstrecke
(20) aus. Der Ionenstrahl (19) wird im Reflektor
(13) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor
(14) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch die Pumpen
(15), (16) und (17) evakuiert.
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2 gibt schematisch die Verteilung beruhigter,
thermalisierter Ionen in einem Querschnitt durch ein Quadrupolsystem
wieder: die leichten Ionen sammeln sich in der zentralen Achse und
halten schwerere Ionen weiter außen (2a). Nach
Entnahme der achsennahen leichten Ionen rücken die schwereren Ionen automatisch
zur Achse nach (2b und 2c).
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3 zeigt
zwei Elektrodenbleche (21) und (22), die sich
zu einem quadrupolaren Blendenstapel der 4 zusammensetzen
lassen.
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4 gibt
diesen quadrupolaren Blendenstapel mit einer Vielzahl von Blenden
(21) und (22) aus 3 wieder.
Die Blenden sind jeweils mit ihren Fortsätzen (27) und (28)
in eine elektrische Platine (25) eingelötet, wobei die Platine auch
alle Mittel für die
Spannungsversorgung enthalten kann. Ein solcher Blendenstapel erzeugt
im Inneren ein quadrupolares Feld, dem ein axiales Gleichfeld überlagert
werden kann, um Ionen in eine Richtung zu treiben. Der quadrupolare
Blendenstapel eignet sich hervorragend für eine Verwendung als Ionenspeicher
(10) in 1.
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5 zeigt
schematisch eine Wolke (32) von Ionen verschiedener Masse,
die im Inneren eines quadrupolaren Blendenstapels (30)
durch das Pseudopotential des Blendenstapels und einen überlagerten
Gleichspannungsabfall gegen das Schaltlinsensystem (31)
getrieben wird. Die leichten Ionen befinden sich innen in der Wolke,
die schweren außen. Das
Schaltlinsensystem (31) hat gerade eine Portion (33)
leichter Ionen aus der Wolke (32) extrahiert und auf den
Weg zum Pulser (34, 35) geschickt. Der Pulser
besteht aus einer oberen Platte (35) und einer unteren
Platte (34) mit einem hier nicht sichtbaren Schlitz, durch
den hindurch die Ionen quer beschleunigt ausgepulst werden, indem
an die beiden Platten (34) und (35) eine hohe
Beschleunigungsspannung angelegt wird. Die Blenden (36)
schirmen das Schaltlinsensystem (31) vom Beschleunigungspotential des
Pulsers (34, 35) ab.
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Beste Ausführungsformen
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Die
Erfindung beruht auf zwei Beobachtungen:
- 1.
Die Entnahme stoßfokussierter
Ionen aus einem Ionen speichernden Multipolsystem, besonders aus
einem Quadrupolsystem, wirkt immer massenselektiv und diskriminiert
die entnommenen Ionen: es werden zunächst die leichten Ionen, später zunehmend
schwerere Ionen entnommen. Diese Diskriminierung sucht man nach
bisherigem Stand der Technik zu minimieren, indem man beispielsweise
Hexapolsysteme als Ionenspeicher verwendet, bei denen die Diskriminierung schwächer ist.
- 2. Die Befüllung
des Pulsers eines Flugzeitmassenspektrometers diskriminiert wegen
der verschiedenen Flugzeiten für
verschieden schwere Ionen ebenfalls nach Ionenmassen, kann aber
auf die Ionen eines eingeschränkten
Massenbereichs jeweils optimal eingestellt werden.
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Die
beiden Beobachtungen werden nun zur Erfindung zusammengefasst, indem
die Massenselektivität
der Ionenentnahme aus einem Ionenspeicher nicht nur in Kauf genommen,
sondern durch eine geeignete Form und Betriebsweise des Ionenspeichers
eher noch verstärkt
eingesetzt wird, und indem das Verfahren des Einschusses der Ionen
in den Pulser des Flugzeitmassenspektrometers optimal auf den jeweiligen
schmalen Massenbereich der eingeschossenen Ionen abgestimmt wird.
Die Erfindung soll aber nicht nur die massenselektive Entnahme stoßberuhigter
Ionen durch ein Schaltlinsensystem umfassen, sondern, wie oben schon
angemerkt, auch andere Arten der massenselektiven Entnahme von Ionen
aus einem Ionenspeicher,.
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Eine
besonders günstige
Ausführungsform für Ionenspeicher,
Schaltlinsensystem und Pulser ist in 5 wiedergegeben.
Hier wird ein Ionenspeicher (30) in Form ei nes quadrupolaren
Blendenstapels verwendet, wie er schon in 4 im Detail
dargestellt war. Der quadrupolare Blendenstapel wird zudem mit einem
axialen Gleichspannungsabfall betrieben, der die Wolke (32)
beruhigter und stoßfokussierter
Ionen gegen das Schaltlinsensystem (31) treibt. Im Inneren
der Wolke (32) sind die leichten Ionen zentral versammelt,
während
die schweren Ionen nach außen
gedrückt
werden.
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Das
Schaltlinsensystem kann nun jeweils für die Füllung des Pulsers (34, 35)
kleine Portionen (33) von Ionen extrahieren und zum Pulser
(34, 35) beschleunigen. Durch den Gleichspannungsabfall
am quadrupolaren Blendenstapel (30), der die Ionen gegen
das Schaltlinsensystem (31) drückt, können in kurzer Zeit von nur
einigen Zehn Mikrosekunden relativ viele Ionen extrahiert werden.
Die Beschleunigungsspannung für
diese extrahierten Ionen beträgt etwa
30 Volt, die extrahierten Ionen sind sehr energiehomogen und werden
durch das Schaltlinsensystem (31) zu einem sehr feinen
Strahl hoher Güte
fokussiert. Die extrahierte Portion an Ionen kann durch das Schaltlinsensystem
(31) zeitlich genau so lang gewählt werden, dass ein Ionenstrahlpaket
der richtigen Länge
für die
genaue Füllung
des Pulsers (34, 35) entsteht. Ist diese Portion
genau im Pulser angekommen, so wird der Pulser (34, 35)
durch Anlegen einer Hochspannung von fünf bis zehn Kilovolt an die beiden
Platten (34) und (35) geschaltet: die Ionen werden
durch einen Schlitz in einer der beiden Platten ausgepulst und auf
den Weg durch die Driftstrecke des Flugzeitmassenspektrometers geschickt.
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Ist
der Ionenspeicher (10) teilweise oder vollständig entleert,
so kann er aus vorhergehenden Teilen des Ionenleitsystems, beispielsweise
aus dem als Ionenspeicher verwendeten Teilstück (6), neu befällt werden,
und die Entleerungsvorgänge
können
neu beginnen. Eine Befüllung
des Ionenspeichers (10) dauert bei günstiger Ausführungsform
der Ionenspeicher ein bis zwei Millisekunden, diese Zeit schließt eine
Beruhigung der Ionen ein. Es folgt dann die portionenweise Entnahme
von Ionen aus dem Ionenspeicher (10) über viele Pulsperioden des
Pulsers (12) hinweg mit jeweiliger Anpassung der Befüllungszeit
an die Masse der entnommenen Ionen. Die Entnahme kann über 10 bis
20 oder auch mehr Pulsperioden hinweg erfolgen, je nach Anzahl der
Ionen im Ionenspeicher (10) und je nach interessierendem Massenbereich
für das
Summenspektrum.
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Ist
der Ionenspeicher entleert, so kann er aus einem vorhergehenden
Ionenleitsystem, beispielsweise dem Ionenleitsystem (6)
der 1, wieder neu befüllt werden. Dieses Ionenleitsystem
muss ebenfalls als Ionenspeicher betrieben werden. Es ist besonders
günstig,
wenn dieser Ionenspeicher ebenfalls als quadrupolarer Blendenstapel
ausgeführt
ist, da sich dann durch Anlegen eines Gleichspannungsabfalls an
den Blendenstapel ein besonders schneller Überführungsvorgang für die Ionen
erreichen lässt.
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Für den Betrieb
des Flugzeitmassenspektrometers ist es im Allgemeinen besser, mit
einer konstanten Auspulsungsfrequenz am Pulser, also mit einer konstanten
Akquisitionsrate für
die Massenspektren zu arbeiten. In diesem Fall muss der Extraktionsbeginn
des Schaltlinsensystems zwischen Ionenspeicher und Pulser in Bezug
auf den Zeitpunkt der Auspulsung variabel gehalten werden. Die Extraktionsdauer
für die
einzelnen Ionenportionen ist ebenfalls variabel: sollen die Ionenportionen
gleich lang sein, um genau in den Pulser zu passen, so ist die Extraktionsdauer
wegen der verschiedenen Ionengeschwin digkeiten proportional zur
Wurzel aus der Masse zu wählen.
Es kann sich dabei ergeben, dass der Beginn der Ionenextraktion
eines nächsten
Einschussvorgangs in den Pulser vor dem Auspulsen der aktuellen
Füllung
liegt. Um durch den Hochspannungspuls am Pulser nicht die Arbeit
des Schaltlinsensystems zu stören,
sind vor dem Pulser Abschirmblenden (36) angebracht.
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Kann
der Strahldurchmesser des Ionenstrahls, der in den Pulser eingeschossen
wird, von den jetzt üblichen
0,6 Millimeter auf etwa 0,3 Millimeter verringert werden, so wird
damit theoretisch das Auflösungsvermögen des
Flugzeitmassenspektrometers um einen Faktor vier verbessert, da
die Restfehler der Ortsfokussierung quadratischer Natur sind. Jetzige
Tischgeräte
mit Driftstrecken von rund anderthalb Metern haben Auflösungsvermögen von rund
R = 15 000, das heißt,
zwei Ionen der Massen 5000 und 5001 lassen sich gut von einander
trennen. Die Verbesserung um den Faktor vier auf R = 60 000 wird
sich jedoch nicht voll erreichen lassen, da auch andere Einflüsse eine
Rolle spielen werden, beispielsweise Einflüsse des Detektors. Es ist aber
zu erwarten, dass sich die Massengenauigkeit, die bei jetzigen Flugzeitmassenspektrometern
oben beschriebener Bauart etwa drei Millionstel der Masse beträgt, erheblich
steigert. Es sind mit dieser Erfindung Massengenauigkeiten in der
Gegend von einem Millionstel der zu messenden Masse zu erwarten.
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Ein
solches Massenspektrometer wird aber nicht nur eine höhere Massengenauigkeit
haben, es steigt auch der Nutzgrad („duty cycle") für die Ionen, weil
der Pulser jeweils genau mit Ionen befüllt werden kann und nur wenige
Ionen verloren gehen. Die relativ dichte Befüllung des Pulsers mit Ionen,
die mit dem System der 5 möglich ist, lässt sich
allerdings nur in Massenspektrometern mit Analog-zu-Dezimal-Wandlern
(ADC) gut ausnutzen, da es erforderlich ist, einen Detektor zu verwenden,
der in einem Messintervall auch eine höhere Anzahl von Ionen noch
gut quantitativ messen kann.
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Mit
modernen Ionenquellen und Einführungssystemen
für die
Ionen in das Vakuumsystem kann der Ionenstrom im Vakuumsystem in
den Maxima der Substanzzuführung
zur Ionenquelle durchaus etwa ein Picoampère erreichen. Das entspricht
etwa Tausend Ionen im Pulser bei einer Pulsfrequenz von zehn Kilohertz.
Wenn der Pulser mit etwa Tausend Ionen befüllt wird, so kann die Anzahl
der Ionen, die in einem Messintervall des ADC zu erfassen sind, durchaus
etwa 200 Ionen betragen, da sich ein Massenpeak über fünf bis zehn Messintervalle
erstreckt. Analog-zu-Dezimal-Wandler genügender Schnelligkeit und genügender Messbreite
zur Erfüllung
dieser Aufgabe sind in modernen Transientenrekordern vorhanden.
Diese können
bei acht Bit Digitalisierungsbreite im Messtakt von zwei Gigahertz
messen, möglicherweise
in Zukunft noch schneller.
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Um
jedoch in einer kurzen Zeit von nur etwa 60 Mikrosekunden, die bei
16 Kilohertz Aufnahmerate zur Verfügung stehen, etwa Tausend Ionen
aus dem Ionenspeicher in den Pulser überführen zu können, ist eine gute Ausführungsform
des Schaltlinsensystems am Ausgang des Ionenspeichers und eine gute
Einstellung der Potentiale erforderlich, die sowohl die Extraktionsfeldstärke, wie
auch die Beschleunigungsspannung für die Ionen bestimmen. Außerdem muss
im Inneren des Ionenspeichers dafür gesorgt werden, dass sich
die Ionen im engen Zugriffsbereich des Schaltlinsensystems befinden.
Aus diesem Grunde wird hier der Ionenspeicher in Form des Blendenstapels
vorgeschlagen, der es erlaubt, durch den überlagerten Gleichspannungsabfall
die Ionen vor der Schaltlinse zu versammeln. Im Laufe der Entleerung
dieses quadrupolaren Blendenstapels kann dieser Gleichspannungsabfall
laufend erhöht
werden, um die restlose Entleerung zu beschleunigen, da besonders
die schweren Ionen viel Antrieb brauchen, diesen Speicher schnell
zu verlassen.
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Um
die Entnahme der Ionen bei zunehmender Entleerung, die immer schwerere
und trägere
Ionen im Ionenspeicher zurücklässt, zu
beschleunigen, kann aber nicht nur der Gleichspannungsabfall zunehmend
erhöht
werden; es kann gleichzeitig auch die Hochfrequenzspannung an den
Blenden des als Blendenstapel ausgeführten Ionenspeichers erhöht werden,
um die schweren Ionen näher
an die Achse des Ionenspeichers zu bringen. Die Hochfrequenzspannung
kann nicht von Anfang an hoch gewählt werden, da sonst die leichten
Ionen durch die untere Massengrenze des Ionenspeichers ausgetrieben werden.
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Die
Anpassung des Verfahrens für
den Einschuss der Ionen in den Pulser an den jeweiligen Massenbereich
der massenselektiv entnommenen Ionen mit gleichzeitiger Anpassung
der Menge entnommener Ionen kann beispielsweise durch die Einstellung
sehr verschiedenartiger Einschussparameter optimiert werden:
- a. Startzeit für den Einschussvorgang in Bezug auf
die Auspulsung der Ionen aus dem Pulser, gesteuert über die
Potentiale des Schaltlinsensystems,
- b. Dauer des Einschussvorgangs, gesteuert über die Potentiale des Schaltlinsensystems,
- c. Extraktionsspannungen für
die Ionen im Schaltlinsensystem,
- d. Beschleunigungsspannung für
die Ionen im Schaltlinsensystem,
- e. Hochfrequenzspannung am Ionenspeicher, und
- f. Gleichspannungsabfall im Ionenspeicher.
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Diese
Parameter können
im Verlaufe der Entleerung des Ionenspeichers alle schrittweise
oder kontinuierlich geändert
werden, um jeweils eine optimal angepasste Füllung des Pulsers während der portionenweisen
Entleerung des Ionenspeichers zu erreichen.
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Für Flugzeitmassenspektrometer,
die nicht der 1 entsprechen, kann es darüber hinaus noch
weitere Einstellparameter für
einen optimalen Einschuss in den Pulser geben. So ist ein Flugzeitmassenspektrometer
denkbar, bei dem der Einschussweg für die Ionen vom Ionenspeicher
zum Pulser variabel lang ist und bei dem die Flugstrecke als weiterer
Einstellparameter hinzu kommt. Dabei braucht die Flugstrecke nicht
auf mechanischem Wege variabel zu sein, es kann beispielsweise auch eine
elektrische Variabilität
eingeführt
werden, indem die aus einem Ionenspeicher massenselektiv entnommenen
Ionenportionen in einem Ionenspeicher zwischengespeichert werden,
in dem der Speicherort elektrisch variabel ist.
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Die
Zusammenmischung der Ionen aus leichten, mittelschweren und schweren
Ionen ist in aller Regel nicht vor der undiskriminierten Aufnahme von
Massenspektren bekannt. Daher ist auch nicht von vornherein bekannt,
wie die Entleerung des Ionenspeichers verlaufen wird und wie die
Einschussvorgänge
für den
Pulser optimal zu steuern sind. Da sich die Zusammenmischung der
Ionen jedoch in der Regel (selbst bei Zuführung der Substanzen durch schnelle
chromatographische Systeme) im Zeitmaßstab von Sekunden nur relativ
langsam ändert,
kann man sehr gut ein rückregelndes
Verfahren einsetzen. Dem kommt entgegen, dass sich in solchen Flugzeitmassenspektrometern
Summenspektren im Takt einer zwanzigstel Sekunde messen lassen.
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Ein
rückregelndes
Verfahren kann die aufgenommenen Summenspektren jeweils analysieren, daraus
einen Füllstand
des Ionenspeichers und eine Massenverteilung der Ionen bestimmen,
und daraus einen Regelungsalgorithmus für die Parametersteuerung für das Einschussverfahren
bestimmen. In iterativen Schritten kann sich so der Regelalgorithmus
für das
Einschussverfahren an ein optimales Verhalten annähern.
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Es
können
Füllstand
und Massenverteilung aber auch in einem einzigen Schritt bestimmt
werden. Dazu wird ein Summenspektrum aufgenommen, das ohne jede
Regelung für
das Einschussverfahren in den Pulser und auch ohne portionenweisen Einschuss,
sondern mit einem kontinuierlich durchlaufenden Ionenstrahl arbeitet.
Es wird der Inhalt des Ionenspeichers jeweils kontinuierlich in
den Pulser überführt und
nur durch das Auspulsen unterbrochen. Dieses Verfahren soll dabei
eine Einstellung benutzen, die optimal für die höchste interessierende Ionenmasse
ist. Das so erhaltene Summenspektrum ist sicher massendiskriminiert,
jedoch ist die Art der Massendiskriminierung bekannt. Da die schwersten Ionen
den Pulser genau bis zum Ende ausfüllen, haben die schnellen leichten
Ionen den Pulser größtenteils
wieder verlassen. Da die Geschwindigkeiten der Ionen den Wurzeln
aus den Massen proportional sind, sind also Ionen, die einhundert
mal leichter sind als die höchste
Ionenmasse, genau um einen Faktor zehn zu gering gemessen. Daraus
kann man die wahre Verteilung der Ionen auf die verschiedenen Massen
berechnen; und aus dieser Berechnung lässt sich ein optimales Verfahren
für den
Einschussprozess in den Pulser bestimmen.
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Wie
hier im Einzelnen ausgeführt,
liegen die Vorteile der Erfindung nicht nur bei einer Minimierung der
Massendiskriminierung, sie liegen auch bei einer sehr guten Konditionierung
des Ionenstrahls zum Pulser für
ein gutes Auflösungsvermögen des
Flugzeitmassenspektrometers, in einer hohen Ausnutzung der Ionen
ohne größere Ionenverluste,
und in einer schnellen Befüllung
des Pulsers mit einer jeweils optimal hohen Ionenanzahl, wodurch
auch höhere
Ionenströme
durch das Einlasssystem in das Vakuumsystem des Massenspektrometers
als bisher bewältigt
werden können.
Damit lässt
sich eine höhere
Empfindlichkeit erreichen.