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Die
Erfindung bezieht sich auf eine lineare Ionenfalle, die zwischen
mindestens vier stabförmigen
Elektroden ein im Wesentlichen quadrupolares elektrisches Hochfrequenzfeld
aufspannt und Ionen orthogonal zur Achse massenselektiv auswerfen kann.
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Die
Erfindung besteht darin, Feldunregelmäßigkeiten längs der Achse, die zu einem
gleichzeitigem Auswurf von Ionen leicht verschiedener Massen an
verschiedenen Auswurfsorten der linearen Ionenfalle führen, dadurch
zu kompensieren, dass die ausgeworfenen Ionen an den verschiedenen
Auswurfsorten durch eine Vielzahl von Detektoren gemessen und die
verschiedenen ortsabhängig
gemessenen Massenspektren der einzelnen Detektoren massenkalibriert
zusammengefügt
werden.
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Stand der Technik
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Lineare
Ionenfallen sind in der Patentschrift
US
5,420,425 (Bier et al.) beschrieben. Eine besonders bevorzugte
Ausführungsform,
die auch in einem erfolgreichen kommerziellen Massenspektrometer verwendet
wird, besteht darin, vier hyperbolisch geformte Stäbe zu einem
sehr präzisen
linearen Quadrupolsystem zusammenzufügen, zwei gegenüberliegende
Stäbe mit
Schlitzen zu versehen, und die in Gas gekühlten Ionen durch radiale resonante
Anregung durch die Schlitze hindurch massenselektiv auszuwerfen.
Bei vollkommen symmetrischer Anordnung treten die Ionen dann während eines
so genannten Massenscans über
die einzelnen Massensignale hinweg gleichmäßig (wenn auch durch die resonant
angeregten Schwingungen der Ionenwolken in gegeneinander versetzten
Ionenpulsen) durch beide Schlitze in den gegenüberliegenden Polstäben aus
und werden durch zwei flächige
Detektoren vor den beiden Schlitzen gemessen. Eine solche lineare Ionenfalle
ist schematisch in
1 gezeigt, wobei allerdings nur
ein Detektor sichtbar ist.
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Für die Aufnahme
eines Massenspektrums ist ein Massenscan erforderlich, der Betriebsparameter
der Ionenfalle so verändert,
dass die Ionen massenselektiv und massensequentiell aus der Ionenfalle
zu den Detektoren hin ausgeworfen und in den Detektoren gemessen
werden. Unter „Masse" ist hier, wie immer
in der Massenspektrometrie, die ladungsbezogene Masse m/z zu verstehen.
Es sind dem Fachmann mehrere Arten solcher Massenscans bekannt,
darunter insbesondere der Auswurf durch Speicher-Instabilität am Rande
des Mathieuschen Stabilitätsdiagramms,
und der Auswurf der Ionen durch eine radiale resonante Anregung
mit einer dipolaren Anregungshochfrequenzspannung. Im letzteren
Falle kann der resonante Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt werden;
es sind dann besonders schnelle Scanverfahren mit hoher Massenauflösung möglich, wie
das in der Offenlegungsschrift
DE 102 36 346 A1 (J. Franzen, G. Weiß) beschrieben
ist (entsprechend den Patentschriften
US 6,831,275 B2 und
GB 2 393 322 B ). Der Auswurf durch
nichtlineare Resonanzen bietet darüberhinaus den Vorteil, dass
die Ionen zu einer Seite hin ausgeworfen werden können, so
dass nur ein Detektor erforderlich ist.
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Ein
Vorteil linearer Ionenfallen gegenüber den so genannten dreidimensionalen
Ionenfallen, die aus einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden
aufgebaut sind, besteht in ihrer leichteren Befüllbarkeit und ihrer hohen Aufnahmekapazität für Ionen. Ein
Nachteil dieser Anordnung ist die außerordentlich hohe Präzision,
die hier für
eine konstante Ausformung und Stärke
des elektrischen Hochfrequenzfeldes in allen Querschnitten längs der
Achse erforderlich ist. Die Präzision
des Hochfrequenzfeldes wird dabei sowohl von Störungen an beiden Enden des Polstabsystems,
Störungen
an den Enden der Schlitze, wie auch insbesondere durch die mechanische Präzision in
Form und Abstand der Polstäbe
beeinflusst.
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Normalerweise
verwendet man Polstäbe
mit einem innerem Scheitelabstand von acht Millimetern, also einem
so genannten inneren Radius von vier Millimeter. Weicht dieser Radius
an einer Stelle längs der
Achse nur um zwei Mikrometer von seinem Sollwert ab, so werden an
dieser Stelle Ionen der Masse 2001 Dalton (oder 3999 Dalton) statt
der gewünschten
2000 Dalton ausgeworfen. Sollen Ionen der Masse 1000 Dalton ausgeworfen
werden, so erscheinen an der abweichenden Stelle Ionen der Masse
1000,5 Dalton (oder 999,5 Dalton), das heißt, ein solches Massenspektrometer
bietet keine brauchbare Auflösung,
wenn solche Fehlstellen mit abweichenden Maßen vorkommen. Und es ist der
nutzbare Massenbereich beschränkt,
da oberhalb von 2000 Dalton keine Auflösung von nur einer Masseneinheit
mehr gegeben ist. Tatsächlich
muss die mechanische Präzision
der Polstäbe
für ein
brauchbares Massenspektrometer bei weit weniger als einem Mikrometer
liegen.
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Die
Forderung nach einer mechanischen Präzision von weit weniger als
einem Mikrometer ist aber kaum zu erfüllen: Tatsächlich sind die kommerziellen
Massenspektrometer dieser Art auf einen Massenbereich von 2000 Dalton
mit einer maximalen Auflösung
am oberen Ende des Massenbereichs von etwa R = 4000 beschränkt, während kommerzielle dreidimensionale
Ionenfallen, die aus Drehteilen bestehen, einen Massenbereich von
3000 Dalton mit einer Massenauflösung
von mehr als R = 10 000 am oberen Ende des Massenbereichs bieten.
Für viele Anwendungen,
beispielsweise in der modernen Proteinanalytik, ist dieser Unterschied
entscheidend.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, Massenbereich und Massenauflösung von
linearen Ionenfallen zu verbessern, ohne eine hochpräzise Form
des Hochfrequenzfeldes zu benötigen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung besteht darin, die zur Achse orthogonal ausgeworfenen
Ionen nicht mit nur einem oder zwei längenübergreifenden Detektoren zu
messen, sondern stattdessen eine Vielzahl von n Detektoren längs der
Achse anzuordnen, und mit diesen Detektoren n ortsbezogene Massenspektren
zu messen. Diese Massenspektren können massenkalibriert zu einem
Summenspektrum zusammengefügt
werden.
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Dabei
können
sich die n Detektoren auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Polstabanordnung befinden,
aber auch nur auf einer Seite. Für
letzteren Fall ist es günstig,
durch eine Überlagerung
des quadrupolaren Hochfrequenzfeldes mit hexapolaren und oktopolaren
Anteilen einen einseitigen Auswurf der Ionen zu erzeugen. Wird dabei
der Auswurf durch nichtlineare Resonanzen unterstützt, so
sind, wie bereits oben angemerkt, bei einer vorgegebenen Massenauflösung besonders
schnelle Scanverfahren möglich.
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Die
n Detektoren können
einfache Faraday-Auffänger
sein, aber auch Sekundärelektronenvervielfacher
(SEV). Besonders geeignet ist hier eine einzelne Sekundärelektronen
verstärkende
Vielkanalplatte (MCP = „multi
channel plate"),
die aber eine Anzahl von n einzelnen Elektronenauffängern zur ortsbezogenen
Messung der austretenden Elektronenlawinen besitzt.
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Die
einzelnen Ionenströme
der n Detektoren können
in Operationsverstärkern
parallel verstärkt und
in DA-Wandlern parallel zu n Werteketten digitalisiert werden, die
jeweils ortsbezogene Massenspektren darstellen. Die Werteketten
können
dann Wert für
Wert mit einem jeweils einmalig kalibrierten, massenproportionalen
Versatz zu einer Summenwertekette addiert werden, aus der das Zielmassenspektrum
gebildet wird.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt
das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach bisheriger Technik
mit vier hyperbolischen Polstäben
(1, 2, 3, 4), von denen Polstab (1)
einen Schlitz (5) trägt,
und einem längenübergreifenden
Detektor (6), der die Ionen misst, die aus dem Schlitz
(5) ausgeworfen werden. Unterhalb des Polstabs (3)
kann ein zweiter Detektor angeordnet sein.
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In 2 ist
das Grundschema einer linearen Ionenfalle nach dieser Erfindung
gezeigt, die vor dem Schlitz (5) eine Reihe von acht einzelnen
Detektoren (7 ... 14) aufweist, die längenaufgelöst einzelne ortsbezogene
Ionenströme
zu messen gestatten.
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3 zeigt
schematisch die Addition einer Massenspektren-Wertekette (20)
in eine Ziel-Wertekette (21) mit einem massenproportionalen
Versatz, hier unter Dehnung des Massenspektrums (20), wobei
die Werte (22) jeweils zweimal verwendet werden.
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4 zeigt
schematisch die Addition einer Wertekette (23) in eine
Ziel-Wertekette (24) mit einer Schrumpfung des durch die
Wertekette (23) dargestellten Massenspektrums, wobei die
Werte (25) jeweils ausgelassen werden.
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5 stellt
schematisch eine lineare Ionenfalle mit Polstäben (30) und (31),
einem Vorfilter mit Polstäben
(32) und (33) und einem Nachfilter mit Polstäben (34)
und (35) dar, wobei Vorfilter und Nachfilter in bekannter
Weise den Feldverlauf im Inneren der linearen Ionenfalle verbessern
sollen. Polstab (30) trägt
eine Ausfräsung
(36) für
den Schlitz. Vor Polstab (30) befindet sich eine Sekundärelektronen verstärkende Vielkanalplatte
(37), deren austretende Elektronenlawinen von den 16 Elektronenauffängern (38)
aufgefangen und über
Koax-Kabel (39) einer Verstärkung in Operationsverstärken (40)
und Digitalisierung (41) zugeführt werden. Die digitalisierten Werte
werden in FIFOs (42, „first-in-first-out"-Registern) zwischengespeichert,
um den jeweiligen Versatz zu ermöglichen,
dann in einem Rechenwerk (43), beispielsweise einem FPGA
oder einem Signalprozessor, mit massenproportionalem Versatz addiert
und über
Leitung (44) dem weiterverarbeitenden Rechner zugeführt.
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Beste Ausführungsformen
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Eine
einfache, aber sehr effektive Ausführungsform besteht aus einer
linearen Ionenfalle bisheriger Bauart, bei der aber beispielsweise
die beiden Sekundärelektronen
vervielfachenden Vielkanalplatten durch je eine Reihe von jeweils
acht Elektronenauffängern
abgedeckt ist, wie das in 2 zu sehen ist. Wie oben ausgeführt, besteht
ein Massenscan aus einem massenselektiven und massensequentiellen
Auswurf der Ionen, wobei verschiedene, dem Fachmann bekannte Auswurfmethoden
zur Anwendung kommen können.
Jeder Elektronenaufhänger
ist mit einem Operationsverstärker
verbunden, der den Ionenstrom aus einem kleinen Teilbereich längs der
Achse des Polstabsystems nachverstärkt und jeweils einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler
oder ADC) zuführt.
Die insgesamt 16 digitalen ortsbezogenen Massenspektren, die jeweils aus
einer langen Serie von digitalen Ionenstromwerten bestehen, können dann
Wert für
Wert addiert werden, wobei aber ein massenproportionaler Versatz
der Wertereihen zueinander so vorgenommen wird, dass gleiche Massensignale
bestmöglich
aufeinander addiert werden. Der bestmögliche massenproportionale
Versatz muss einmal anhand von Kalibrierspektren bestimmt werden.
Ein Schema einer solchen Addition mit massenproportionalem Versatz aus
einem Massenspektren-Wertespeicher (20) in einen Zielspeicher
(21) mit einer Dehnung des Massenspektrums durch doppelte
Verwendung einiger Messwerte (22) ist in 3 gezeigt. 4 zeigt eine
Addition unter Stauchung des Massespektrums (23), wobei
einige Messwerte (25) nicht verwendet werden.
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Durch
den massenproportionalen Versatz bei der Addition der einzelnen
Massenspektren-Wertereihen
werden dabei die Spektren aus Bereichen mit leicht verändertem
Radius der Polstäbe
an die übrigen
Spektren angeglichen, so dass insgesamt ein Massenspektrum höherer Massenauflösung erhalten
wird. Es können
dabei aber auch alle anderen Arten von Störungen durch dieses Vorgehen
eliminiert werden, wie beispielsweise Einflüsse der Endelektroden des Polstabsystems
oder Einflüsse
der Schlitzenden auf das Hochfrequenzfeld.
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Noch
günstiger
ist es, durch eine Überlagerung
des Quadrupolfeldes mit Hexapol- und Oktopolfeldern zu erreichen,
dass die Ionen nur einseitig aus dem Polstabsystem ausgeworfen werden.
Es sind dann nicht mehr zwei Vielkanalplatten mit insgesamt 16 Elektronenauffängern notwendig,
sondern eine gleiche Massenauflösung
kann mit nur einer Vielkanalplatte und acht Elektronenaufängern erzielt
werden. Gleichzeitig wird dabei auch die Anzahl der Operationsverstärker und
ADCs verringert. In besonderer Weise kann dabei auch eine Unterstützung des Ionenauswurfs
durch nichtlineare Resonanzen verwendet werden, die den Auswurf
beschleunigt und schärfer
macht, so dass ein besseres Massenauflösungsvermögen bei gleicher Scangeschwindigkeit erreicht
wird. Bei Überlagerung
mit einem Hexapolfeld tritt eine starke nichtlineare Resonanz bei
einem Drittel der Hochfrequenz auf, die bevorzugt verwendet werden
kann, indem auch die dipolare Anregungshochfrequenz bei dieser Frequenz
gewählt wird
und der Massenscan durch eine stetige Erhöhung der Hochfrequenzspannung
an den Polstäben durchgeführt wird.
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Eine
solche lineare Ionenfalle wird üblicherweise
mit einer Frequenz der Hochfrequenzspannung von etwa einem Megahertz
betrieben. Ein resonanter Auswurf mit Unterstützung durch nichtlineare Resonanz
tritt dann bei etwa 333 Kilohertz auf. Es ist hiermit möglich, in
einem Schnellscan eine schwingungssynchrone Abtastung der ausgeworfenen
Ionenpakete mit 333 Kilohertz so vorzunehmen, dass pro ladungsbezogener
Masseneinheit (vereinheitlichte atomare Masseneinheit u oder Dalton
Da) genau 8 Abtastungen des Ionenstroms vorgenommen werden. Durch
die Verwendung von acht Elektronenauffängern und durch die Addition
der Spektren mit massenproportionalem Versatz kann erreicht werden, dass
die maximale Abweichung der Massenspektren voneinander nur bei einem
Achtel einer Masseneinheit liegt; damit lassen sich gut zwei Ionenstromsignale
bei einer Masseneinheit trennen. Das bedeutet, dass man auch doppelt
geladene Ionen noch gut massenaufgelöst messen kann. Es ist damit
auch die Obergrenze für
den sinnvollen Massenbereich erweitert, mit dieser Art des Ionenstromnachweises
kann man durchaus einen Massenbereich bis zu 3000 Dalton und darüber erreichen.
Ein voller Massenschnellscan bis zur Masse 3000 Dalton braucht nur etwa
80 Millisekunden.
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Mit
langsamerem Massenscan, wie er beispielsweise für die Messung von Peptiden
angewandt wird, kann man 16 Abtastungen pro Masseneinheit einstellen.
Ein voller Massenscan bis zur Masse 3000 Dalton dauert selbst dann
nur etwa 160 Millisekunden. Im Hinblick auf eine höhere Massenauflösung ist
es günstig,
nicht nur acht, sondern 16 Elektronenauffänger längs der Achse des Polstabsystems
zu verwenden, wie in 5 dargestellt. Man kann dann
auch bei mäßiger Präzision des
Polstabsystems und entsprechend kalibriert massenproportional versetzter
Addition eine Massenauflösung
von vier Ionensignalen („Peaks") pro Masseneinheit
erzielen. Es ist damit möglich,
die Isotopengruppen von vierfach geladenen Ionen aufzulösen. Durch
die Verwendung von 16 Elektronenauffängern (38), 16 Operationsverstärkern (40)
und 16 Analog-Digital-Wandlern (41) ist es möglich, statt
eines üblicherweise
verwendeten DAC mit 16 bit Breite 16 DACs mit nur jeweils 12 bit
Breite zu verwenden. Für
einen hohen dynamischen Messbereich ist es noch günstiger,
16 DACs mit jeweils 14 bit Breite einzusetzen, die dann als Ergebnis
ein Summenspektrum liefern, das dem eines DAC mit 18 bit Breite
entspricht. Damit können Massenspektren
aus Füllmengen
der linearen Ionenfalle mit 100 000 Ionen noch intensitätstreu gemessen
werden. 14-bit-DACs sind heute für
unter 10 US-Dollar zu bekommen; es gibt auch Kombinationen von jeweils
acht 14-bit-ADCs in nur einem Baustein (41), wie in 5 schematisch
dargestellt. Die gesamte Technik mit 16 Operationsverstärkern, 16 AD-Wandlern,
Adressierern und entsprechendem Speicher für die Digitalwerte ist heute
leicht auf einer relativ kleinen Platine unterzubringen und preiswert herzustellen.
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Die
massenabhängig
versetzte Addition kann in einem angeschlossenen PC durchgeführt werden.
Bei einem Massenbereich von 3000 Dalton und 16 Werten zu 16 bit
Breite pro Masseneinheit braucht ein einzelnes Massenspektrum nur
96 Kilobyte. Es kann aber hier leicht ein Engpass auftreten, wenn
aus einem Massenspektrum eine sofortige Rückmeldung zur Steuerung eines
nächsten
Massenspektrums vorzunehmen ist, beispielsweise zur Messung eines
Tochterionenspektrums einer bestimmten Ionensorte. Für diesen
Fall kann vorgesehen werden, dass eines der 16 Massenspektren in Echtzeit
in den PC übertragen
wird, und dieses Spektrum wird zur Rücksteuerung ausgewertet. Dieses Spektrum
hat zwar ein schlechteres Verhältnis
der Signale zum Rauschen, sonst aber die gleiche Güte wie das
Summenspektrum.
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Eine
bessere elektronische Variante verwendet ein Rechenwerk (43)
für die
Summierung der 16 Einzelspektren mit massenproportionalem Versatz. Dieser
Baustein (43) kann auf der gleichen Platine untergebracht
werden und kann das Summenspektrum fast in Echtzeit (nur mit einer
leichten Vorlaufzeit für
den Versatz) über
einen Bus (44) an den PC weiterleiten. So sind Rücksteuerungen
möglich,
die auf einer Auswertung der Summenspektren beruhen. Als Rechenwerk
(43) kann beispielsweise ein FPGA („field programmable gate array"), es kann aber auch ein
schneller Signalprozessor (43) zur Addition eingesetzt
werden. Um für
die versetzte Addition nimmer die entsprechend versetzten Werte
bereitzuhalten, ist es günstig,
FIFO- Register (42, „ferst-in-first-out") zwischenzuschalten.
Die FIFOs werden zu Beginn etwa halb gefüllt, bevor die Addition beginnt,
ihr Inhalt beziehungsweise ihr Leerstand kann die für das versetzte
Addieren notwendige Pufferung übernehmen.
Günstig
sind FIFOs, die etwa jeweils 32 Messwerte zwischenspeichern können, es kann
dann ein Versatz von 16 Messwerten, also einer vollen Masseneinheit
nach oben und unten, aufgefangen werden, also Abweichungen der Präzision in der
parallelen Ausrichtung der Polstäbe
von plus/minus acht Mikrometern. Die acht Mikrometer Abweichung
sollten jedoch vermieden werden, da dadurch restliche Beeinträchtigungen
der Massenauflösung entstehen,
die nicht ausgeglättet
werden können.
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Es
ist aber nicht unbedingt notwendig, acht oder 16 Analog-Digital-Wandler
einzusetzen. Man kann die einzeln verstärkten Ionenströme auch
durch einstellbare, massenproportional verstellbare Verzögerungsglieder
so gegeneinander verzögern,
dass wiederum ein hohes Auflösungsvermögen entsteht. Die
massenproportionalen Verzögerungen
werden nur ein einziges Mal (möglichst
im Herstellerwerk) relativ zueinander einjustiert. Die justiert
verzögerten analogen
Ionenströme
werden dann analog addiert und dem Analog-Digital-Wandler zugeführt.
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Die
einzelnen Elektronenauffänger über der Vielkanalplatte
brauchen nicht alle gleich groß zu sein.
Es kann eine andere Teilung günstiger
sein, beispielsweise, um Störungen
an den Enden der Schlitze des Polstabsystems durch schmalere Auffänger feiner
ausgleichen zu können.
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Ein
hoher Massenbereich mit hoher Massenauflösung ist gerade für Anwendungen
in den Biowissenschaften von hohem Wert, da der Trend zu Untersuchungen
immer größerer Biomoleküle geht,
die dann vielfach erst im Massenspektrometer fragmentiert werden.
Moderne Ionenfallen-Massenspektrometer sind ganz überwiegend
mit Elektrosprüh-Ionenquellen
ausgerüstet,
die von größeren Biomolekülen dann
vielfach geladene Ionen erzeugen. Schon aus diesem Grunde ist es
vorteilhaft, wenn der Massenanalysator auch die Isotopengruppen
nicht nur von zweifach geladenen Ionen, sondern auch von drei- und
vierfach geladenen Biomolekülen
auflösen kann.
Setzt man Deprotonierungsverfahren ein, um die Anzahl z der Ladungen
zu vermindern, so ist wiederum ein hoher Massenbereich gefragt,
da dann die im Massenspektrometer gemessene ladungsbezogene Masse
m/z sehr groß wird.
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Statt
der Messeinrichtung einer oder zwei längenübergreifenden Vielkanalplatten
mit geteilten Elektronenauffängern
können
auch eine Vielzahl von andersartigen Messeinrichtungen verwendet
werden, beispielsweise Faraday-Auffänger, einzelne Dynoden-Multiplier,
einzelne Channeltron-Multiplier, oder auch einzelne Vielkanalplatten-Multiplier.
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Der
Fachmann auf diesem Gebiet kann in Kenntnis dieser Erfindung leicht
weitere technische Anpassungen einer linearen Ionenfalle an die
analytischen Aufgaben vornehmen.