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Die Erfindung bezieht sich auf dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfallen nach Wolfgang Paul, die zum effektiven Sammeln von Analyt-Ionen und besonders auch für Reaktionen von Analyt-Ionen allein oder mit Reaktionspartnern, bevorzugt für Reaktionen zwischen positiven Analyt-Ionen und negativen Reaktant-Ionen, verwendet werden können.
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Die Erfindung besteht darin, durch eine besondere Formgebung der Ionenfalle mit strukturierten Elektroden eine hohe Einfangeffizienz für die Analyt-Ionen zu erzeugen, was dadurch ermöglicht wird, dass die 3D-HF-Ionenfalle nicht gleichzeitig auch als Ionenanalysator verwendet wird. Eine besonders günstige Ausführungsform lässt sich von einer linearen Ionenfalle mit guter Einfangeffizienz zu einer dreidimensionalen Ionenfalle mit guten Reaktionsvoraussetzungen umschalten.
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Stand der Technik
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Dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfallen nach Wolfgang Paul bestehen in bekannter Weise aus mindestens einer Ring- und mindestens zwei Endkappen-Elektroden, und arbeiten mit einer Hochfrequenzspannung zwischen Ring- und Endkappen-Elektroden, die zumeist einphasig an die Ringelektrode angelegt wird. Bei ideal rotations-hyperbolischer Formgebung der Elektroden steigt die Stärke des Hochfrequenzfeldes vom Zentrum aus in allen Raumrichtungen linear an, daher der Begriff „dreidimensional”. Es entsteht also im Inneren ein inhomogenes Hochfrequenzfeld. Jedes inhomogene elektrische Hochfrequenzfeld wirkt auf Ionen in einer Weise, die sich durch ein so genannten „Pseudopotential” beschreiben lässt. Das Pseudopotential steigt in einer dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfalle in alle Raumrichtungen quadratisch an und hat im Zentrum der Ionenfalle ein Minimum; es treibt die Ionen beider Polaritäten aus allen Raumrichtungen in das Zentrum der Ionenfalle und lässt sie so um das Zentrum herum schwingen. Bei ideal geformten Elektroden ist das Pseudopotential harmonisch, es lässt die Ionen harmonisch schwingen. Die harmonische Schwingung ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Schwingungsfrequenz unabhängig von der Schwingungsamplitude immer gleich bleibt.
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Wird die Ionenfalle mit einem Stoß- oder Dämpfungsgas eines Druckes zwischen 0,001 und 1 Pascal befüllt, so können Ionen, die von außen durch Öffnungen in den Endkappen-Elektroden eingeführt werden, im Inneren eingefangen und so gekühlt werden, dass sie sich in einer kleinen Wolke im Zentrum der Ionenfalle sammeln. Die Größe der Wolke bestimmt sich aus der zentripetalen Kraft des Pseudopotentialfeldes in der Ionenfalle und der zentrifugalen Kraft durch die Coulombsche Abstoßung zwischen den Ionen. Da das Pseudofeld des Pseudopotentials sowohl auf positive wie auch auf negative Ionen in gleicher Weise wirkt, können Ionen beider Polaritäten eingefangen werden. Insbesondere können auch beide Ionensorten gleichzeitig oder zeitlich nacheinander eingefangen werden und so in der gedämpften Wolke mit einander reagieren.
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Solche Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen sind für analytische Zwecke sehr interessant. So können bestimmte Arten negativer Reaktant-Ionen verwendet werden, um mehrfach positiv geladene Peptid- oder Proteinionen durch einen Transfer eines Elektrons zu spalten („ETD” = electron transfer dissociation), wie das beispielsweise in den Offenlegungsschriften
DE 10 2005 004 324 A1 (R. Hartmer u. A. Brekenfeld) und
US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) beschrieben ist. Die mehrfach geladenen positiven Peptid- oder Protein-Ionen, die mit diesem Verfahren untersucht werden, bilden hier die oben eingeführten „Analyt-Ionen”. Die elektroneninduzierte Fragmentierung der Analyt-Ionen ist zur stoßinduzierten Fragmentierung komplementär, weil sie erstens an anderen Stellen der Aminosäurekette spaltet und zweitens die Seitenketten der posttranslationalen Modifikationen (PTM) bei der Fragmentierung nicht abspaltet, wie das bei der Stoßfragmentierung der Fall ist.
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Andererseits können durch Reaktionen zwischen vielfach positiv geladenen Analyt-Ionen und bestimmten Arten negativ geladener Ionen auch die Anzahlen der jeweiligen Ladungen an den positiven Analyt-Ionen vermindert werden („PTR” = proton transfer reactions, auch „charge stripping” genannt). Durch die Ladungsverminderung können sehr schwere, hoch geladene Analyt-Ionen in solche Ionen umgewandelt werden, deren Isotopenmuster sich im Massenspektrometer noch auflösen lassen. Im Grenzfall lassen sich die Analyt-Ionen bis herunter zu den einfach geladenen Ionen umwandeln, um die Komplexität aus Gemischen vieler schwerer, hoch geladener Analyt-Ionen zu vermindern.
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In dreidimensionalen Ionenfallen können Ionen auch mit Neutralteilchen reagieren, wenn diese in die Ionenfalle eingeführt werden. Dadurch können beispielsweise Derivatisierungen erzeugt werden, oder Markierung durch schwere Isotope eines Elementes, beispielsweise durch Ersatz des Wasserstoffs durch Deuterium. Von besonderer Bedeutung ist aber auch der Elektronentransfer durch hoch angeregte Neutralteilchen, der zu ähnlichen Fragmentierungen führt wie der Elektronentransfer durch negative Ionen. Solche hoch angeregten Neutralteilchen können in einer so genannten „FAB-Quelle” erzeugt werden (FAB = fast atom bombardment), die einen gut gerichteten, feinen Strahl hoch angeregter Atome erzeugt, beispielsweise hoch angeregter Helium-Atome. Dieser Strahl kann sehr gut, beispielsweise durch eine Bohrung in der Ring-Elektrode, auf die eng gebündelte Wolke von Analyt-Ionen gerichtet werden, wie sie sich in einer dreidimensionalen Ionenfalle ausbildet. Die lang ausgedehnte Wolke der Analyt-Ionen, die sich in einer linearen Ionenfalle ausbildet, ist für die Anwendung einer FAB-Quelle für die Fragmentierung nicht gut geeignet.
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Auch so genannte „unimolekulare Reaktionen” ohne substantielle Reaktionspartner sind möglich, wie sie beispielsweise beim Beschuss mit genügenden Anzahlen von Infrarot-Photonen auftreten (IRMPD = infrared multiple photon dissociation). Auch dieser Beschuss kann wegen der Bildung einer konzentrierten Wolke besonders gut in dreidimensionalen Ionenfallen durchgeführt werden.
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Die dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfallen können auch selbst als Massenanalysatoren für die entstehenden Produkt-Ionen verwendet werden. Sie müssen dann eine bestimmte Form der Elektroden sehr genau einhalten, um eine präzis resonante Anregung insbesondere für einen gut nach Massen aufgelösten Auswurf der Ionen für ihre Messung in einem Massenspektrum zu ermöglichen. Die genaue Form ist notwendig, um durch ein gut harmonisches Pseudopotentialfeld die Anregungsfrequenzen der zu Schwingungen angeregten Ionen während einer resonanten Anregung konstant und unabhängig von der Schwingungsamplitude zu halten. Die Formgebung der Elektroden muss im Inneren ein sehr gut geformtes Quadrupolfeld erzeugen. In einigen Quadrupol-Massenspektrometern ist das Quadrupolfeld aber auch sehr präzise mit geringen Anteilen an höheren Multipolfeldern überlagert. Solche willkürlich erzeugten Abweichungen vom reinen Quadrupolfeld können einerseits nicht-lineare, sehr starke und scharfe Resonanzbedingungen einführen und andererseits die Ionen während eines fortlaufenden Massenscans in Resonanz halten.
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Durch diese präzise Form, die im Wesentlichen aus rotationshyperbolischen Ring- und Endkappen-Elektroden mit glatten Oberflächen besteht, ist aber der Einfang der von außen eingeführten Ionen auf etwa 5% bis 10% der zugeführten Analyt- oder Reaktant-Ionen beschränkt. Diese Beschränkung gilt als der größte Nachteil der bisher in kommerziell gefertigten Ionenfallen-Massenspektrometern ausschließlich verwendeten hochpräzisen rotationshyperbolischen Hochfrequenz-Ionenfallen. Die Analyt-Moleküle sind oft nur in sehr geringen Mengen in einer Probe vorhanden. Damit wird die Nachweisempfindlichkeit der Ionenfallen-Massenspektrometer verringert, die in der Bio-Analytik ein sehr hohes Gut darstellt.
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Die Erfolgsquote für den Ioneneinfang ist in so genannten „linearen Multipol-Ionenfallen”, die aus vier oder mehr Polstäben bestehen, sehr viel höher. In einer linearen Ionenfalle werden die Ionen durch das Pseudopotential zur Achse hin getrieben; sie sammeln sich in einer langgestreckten Ionenwolke längs der Achse. Die lineare Ionenfalle wird auch häufig „zweidimensional” genannt, weil sich das Pseudopotential nur in zwei Raumrichtungen ändert und in der dritten Raumrichtung, der Achse der linearen Ionenfalle, konstant bleibt. Die Ionen werden axial mit niedriger kinetischer Energie eingeführt und können in der länglichen Ionenfalle leicht durch ein Stoßgas eingefangen werden, wenn die freie Weglänge im Stoßgas durch einen geeigneten Druck genügend kurz gehalten wird. Bei genau zentraler Einführung in Achsenrichtung laufen die Ionen in keiner Phase gegen ein bremsendes Hochfrequenzfeld an; etwas außerhalb der Achse wirken schwache Felder, die eine Fokussierung zur Achse hin bewirken. Die Ionen können daher mit sehr geringer kinetischer Energie eingeschossen und mit hoher Ausbeute nahe an 100 Prozent eingefangen werden.
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Die linearen Ionenfallen müssen aber an beiden Enden durch abstoßende Potentiale verschlossen werden, um ein freies Entweichen der Ionen zu verhindern. In der Regel werden hierzu Gleichspannungspotentialbarrieren an Lochblenden verwendet, es ist aber dann nur die Speicherung von Ionen einer Polarität möglich, also entweder von positiven oder von negativen Ionen. Die Erzeugung von Barrieren eines Pseudopotentials an beiden Enden ist zwar auch möglich, ist jedoch viel schwieriger als die Begrenzung durch Gleichspannungspotentialbarrieren herzustellen und wird daher in der Praxis kaum verwendet. Somit ist die Verwendung von linearen Ionenfallen für Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen begrenzt. Außerdem befinden sich die gekühlten Ionen nicht in einer fast kugelförmigen Wolke, sondern bilden eine langgestreckte Wolke aus, die sich längs der Achse der linearen Ionenfalle hinzieht.
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Sollen in solchen linearen Ionenfallen Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen herbeigeführt werden, so werden die Wolken mit den positiven Analyt-Ionen und den negativen Reaktant-Ionen zunächst in getrennten Abschnitten gesammelt, die Vorfilter und Nachfilter genannt werden, und dann durch eine besondere Schaltung der Achsenpotentiale einer Durchmischung im Mittelteil der linearen Ionenfalle zugeführt. Dieses Verfahren ist in der Offenlegungsschrift
US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) sehr detailliert dargelegt.
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Dieses Verfahren hat aber Nachteile. Soll beispielsweise eine Fragmentierung durch Elektronentransfer vorgenommen werden, so durchdringen sich zunächst die Köpfe der beiden Ionenwolken und ihre Ionen reagieren miteinander. Bei weiterem Durchdringen können dann die gebildeten positiven Fragmentionen der Wolkenköpfe in unerwünschter Weise weiter mit nachfolgenden negativen Reaktant-Ionen reagieren und zum Teil völlig neutralisiert werden, bevor die Analyt-Ionen im Wolkenschwanz überhaupt mit den ersten Reaktant-Ionen in Berührung gekommen sind. Diesen Nachteil findet man in dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfallen nicht, da die Reaktionen sehr homogen ablaufen.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2002/091427 A2 offenbart eine Quadrupol-Ionenfalle mit einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden, die ein Einfangvolumen begrenzen. Die Endkappenelektroden haben zentrale Öffnungen, durch die Ionen oder Elektronen in das Einfangvolumen eingebracht oder ausgeworfen werden. Unregelmäßigkeiten in dem Hochfrequenz-Einfangfeld werden durch konzentrische, um die Öffnung herum angeordnete Vertiefungen in der Oberfläche wenigstens einer der Endkappenelektroden kompensiert.
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Die Patentschrift
DE 43 24 224 C1 beschreibt eine 3D-Ionenfalle mit einer Ringelektrode und zwei Endkappenelektroden, deren elektrische Beschaltung die Ausbildung von Multipolfeldern höherer Ordnung gestattet. Entsprechende Anteile des Feldes sollen ein- und ausschaltbar und darüber hinaus elektrisch abstimmbar sein. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die Elektroden in rotationssymmetrische, unterschiedlich beschaltbare Teilelektroden aufzuteilen.
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Die Patentanmeldung
US 2004/0149903 A1 offenbart eine Ionenfalle mit einer Ringelektrode, die in mehrere separat beschaltbare Elektrodensegmente aufgeteilt ist. Durch eine spezielle Beschaltung kann die Ionenfalle sowohl als 2D-Ionenfalle als auch als 3D-Ionenfalle betrieben werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle bereitzustellen, die eine hohe Einfangeffizienz für Analytionen besitzt.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung besteht darin, durch eine Strukturierung mindestens einer der Elektroden einer dreidimensionalen Ionenfalle eine hohe Erfolgsquote für den Ioneneinfang von Analyt-Ionen, also eine hohe Einfangeffizienz zu erreichen, was aber nur dadurch ermöglicht wird, dass die dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle nicht mehr als Massenanalysator verwendet wird. Eine solche dreidimensionale Ionenfalle kann beispielsweise als Reaktor für die Analyt-Ionen eingesetzt werden. Da Reaktant-Ionen (oder andere Reaktionspartner) im Überschuss produziert werden können, ist für diese eine hohe Einfangeffizienz nicht unbedingt erforderlich.
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Weil der Pseudopotentialtopf nicht mehr für einen gut resonanten Ionenauswurf streng harmonisch sein muss, kann die Form der Ionenfalle von der herkömmlichen, kommerziell ausschließlich hergestellten hyperbolischen Form stark abweichend gewählt werden. Und weil die Schwingungen für einen Ionenauswurf nicht mehr über mehrere Schwingungsperioden störungsarm verlaufen müssen, kann der Druck des Stoßgases wesentlich erhöht werden, was ebenfalls für den Ioneneinfang günstig ist.
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Die Strukturierung der Elektroden kann die Oberfläche einer oder mehrerer Elektroden betreffen, um beispielsweise eine diffuse Reflektion der Ionen zu erreichen, sie kann aber auch bis zu einer völligen Teilung der Elektroden in Teilelektroden gehen, wobei an die Teilelektroden sogar verschiedene Spannungen, beispielsweise verschiedene Phasen einer Hochfrequenzspannung, angelegt werden können.
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Beispielsweise kann mit riefen- oder höckerartigen Profilierungen der Elektrodenoberflächen, besonders der Endkappen-Elektroden, eine streuende Reflektion der Ionen zur Verbesserung des Ioneneinfangs erreicht werden.
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Durch Ringelektroden, die beispielsweise in gerade oder gekrümmte Polstäbe aufgeteilt und verformt sind, kann sogar durch Umschaltungen von Spannungen zeitweilig ein Betrieb als Multipol-Stabsystem mit bekannt gutem Ioneneinfang wie auch zeitweilig ein Betrieb als dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle für günstige und homogen ablaufende Reaktionen eingestellt werden.
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Auch eine Teilung der Endkappen-Elektroden mit Verwendung zweier Gleich- oder Hochfrequenzspannungen kann eine seitlich ablenkende Reflektion erzeugen.
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Die dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfallen können dabei im Durchfluss betrieben werden, also mit verschiedenen Öffnungen für Einschuss und Ausschuss, oder auch im Sackgassen-Betrieb, bei dem Einschuss und Ausschuss durch dieselbe Öffnung erfolgt.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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zeigt eine dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle in einer Ausführung nach dem bisherigen Stand der Technik mit rotations-hyperbolischen Ionenformen der Ring-Elektrode (13) und der Endkappen-Elektroden (12 und 14). Diese Ausführung erlaubt eine sehr scharfe resonante Anregung der Ionen und ist durch einen gut massenselektiven Auswurf der Ionen zum Detektor (15) sehr gut geeignet für eine Verwendung als Massenanalysator. Die Zuführung der Ionen erfolgt gewöhnlich über ein Multipol-Ionenleitsystem, beispielsweise über ein Quadrupol-Ionenleitsystem (10), und eine Linse (11), die die Ionen in die dreidimensionale Ionenfalle befördert.
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stellt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle dar, die in ihrer Form stark von der bisher als ideal angesehen Form abweicht. Die Endkappen-Elektroden (22 und 24) sind mit herausstehenden Höckern profiliert, um eine streuende Reflektion der eingeschossenen Ionen und somit einen verbesserten Einfang zu erzeugen. Es kann auch die Ring-Elektrode (23) mit solchen Höckern versehen werden.
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zeigt eine vollkommen andere Form einer erfindungsgemäßen Ionenfalle, bestehend aus acht Polstäben (31) und zwei Endkappen-Elektroden (30 und 32). Sie kann einerseits durch eine paarweise Beschaltung der Polstäbe (31) mit den beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung als lineare Oktopol-Ionenfalle, und andererseits durch Beschaltung der Polstäbe (31) mit einer gemeinsamen Hochfrequenzphase als dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle betrieben werden. Die Polstäbe bilden dann gemeinsam die Ring-Elektrode der Hochfrequenz-Ionenfalle.
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Die stellt für die Oktopol-Ionenfalle der schematisch die Umschaltung der Hochfrequenzspannungen an den Oktopolstäben (31) durch einen Schalter (33) dar, der von der paarweiser Beschaltung mit zwei Phasen auf eine einphasige Beschaltung umschaltet.
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zeigt eine Hexapol-Ionenfalle ähnlich der Oktopol-Ionenfalle in , jedoch mit leicht gekrümmten Polstäben (36), die von zwei Keramikringen (34) gehalten werden, mit zwei gekrümmten Endkappen-Elektroden (35). Die Abbildung gibt wieder, wie sich die Ionen in der Betriebsweise als lineare Hexapol-Ionenfalle in einer länglichen, fast in zwei Gebiete geteilten Wolke (37) längs der Achse des Systems sammeln.
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stellt für die gleiche Hexapol-Ionenfalle der die fast kugelförmige Ionenwolke (37) in der Betriebsweise als dreidimensionale Ionenfalle dar, die für Reaktionen mit einzufangenden negativen Ionen besonders geeignet ist. Die fast kugelige Ionenwolke (37) kann auch leicht mit einem Strahl (38) aus einem Generator (39) von außen bestrahlt werden, wobei der Strahl sowohl aus Infrarot-Photonen für eine IRMPD-Fragmentierung, wie auch aus hoch angeregten Helium-Atomen aus einem FAB-Generator für eine MAID-Fragmentierung bestehen kann.
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zeigt die Verwendung der dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfalle in Sackgassen-Anordnung, wobei die Ionen längs des Weges (40) durch die elektrostatische Ionenweiche (43) zur Ionenfalle (46) abgelenkt werden, und auf dem Rückweg wiederum längs des Weges (40) zu einem Ionenanalysator weitergeleitet werden. Sollen die Ionen keiner Reaktion unterworfen werden, können sie längs des Weges (41) direkt zum Ionenanalysator geleitet werden.
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zeigt die Verwendung einer dreidimensionalen Ionenfalle (52), hier eine umschaltbare Hexapol-Ionenfalle, im direkten Durchgang von einem quadrupolaren Ionenleitsystem (50) zu einem ebenfalls quadrupolaren Ionenleitsystem (54), das die Ionen zum Ionenanalysator führt. Diese Anordnung kann sowohl als Ionenreaktor wie auch einfach nur als Ionen-Durchgangsstation betrieben werden. Das quadrupolare Ionenleitsystem (50) kann als Quadrupolfilter geschaltet auch zur Isolierung der Analyt-Ionen verwendet werden.
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stellt schematisch eine Ionenfalle dar, deren Ring-Elektrode in zwölf Polstäbe (63) aufgeteilt ist, und deren Endkappen-Elektroden (62) und (64) mit Höckern profiliert sind, um streuende Reflektionen der mit niedrigen kinetischen Energien eingeschossenen Ionen zu erzeugen. Im Betrieb als linearem Dodekapol-Stabsystem sammeln sich hier die Ionen im Innenraum in Form einer ringförmigen Wolke außen vor den Polstäben (63); im Betrieb als dreidimensionaler Ionenfalle bilden sie eine linsenförmige Wolke im Zentrum aus, die sich besonders gut für Reaktionen mit eingefangenen negativen Reaktant-Ionen, mit Infrarot-Photonen oder hoch angeregten Atomen eignet. Diese Anordnung bildet eine besonders bevorzugte Ausführungsform.
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Beste Ausführungsformen
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Das Problem des Ioneneinfangs in klassisch geformten dreidimensionalen Hochfrequenz-Ionenfallen ist in der Patentschrift
US 6,989,534 B2 (J. Franzen und M. Schubert) eingehend beschrieben. Von allen Ionen, die durch eine Endkappen-Elektrode in die Ionenfalle eingeschossen werden, werden bei sinusförmigem Verlauf der Hochfrequenzspannung nur etwa 5% bis maximal 10% eingefangen; der übrige Teil der Ionen ist weitgehend verloren. Die in der Patentschrift angebotene Lösung mit einer Hochfrequenzspannung, die weit von einer Sinusform entfernt ist, ist nur schwierig und energieaufwändig herzustellen. Im Allgemeinen wird für die Erzeugung der Hochfrequenzspannung ein Lufttransformator verwendet, der zusammen mit den Elektroden der Ionenfalle einen Schwingkreis hoher Güte für die gewählte Frequenz bildet, um so energiesparend, gut steuerbar und ohne die Bildung von schädlichen Oberfrequenzen (Obertönen) zu arbeiten.
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Will man bei einer hohen Güte des Schwingkreises bleiben, so müssen andere Prinzipien gefunden werden, um die Einfangeffizienz zu erhöhen.
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An der Endkappen-Elektrode, durch die die Ionen eingeschossen werden, herrscht in einer Halbphase der Hochfrequenzspannung ein abweisendes Feld, das bis auf wenige Winkelgrade in der Nähe des Nulldurchgangs der Spannung keine Ionen eintreten lässt. In der anderen Halbphase herrscht ein Saugfeld, das an der Endkappen-Elektrode durchaus einige Kilovolt pro Millimeter betragen kann. Dieses Saugfeld beschleunigt die mit geringer kinetischer Energie eingeschossenen Ionen auf hohe Geschwindigkeiten, schießt sie durch das Zentrum der Ionenfalle hindurch und lässt sie auf die entgegengesetzt liegende Endkappen-Elektrode aufprallen. Dieser Aufprall kann vermieden werden, wenn das Potential an dieser Endkappen-Elektrode so weit erhöht wird, dass die Ionen nicht mehr aufprallen können. Dazu ist nur eine geringe Erhöhung des Potentials notwendig, da die Ionen ja nur eine geringe Anfangsenergie hatten, auf die sie nach dem Durchlaufen des Potentialminimums in der Ionenfalle wieder abgebremst werden. Die auf diese Weise reflektierten Ionen werden aber dann nach abermaligem Durchfliegen des Zentrums auf die Endkappen-Elektrode aufprallen, durch die sie eingeschossen wurden. Im Allgemeinen ist der Druck des Stoßgases in der Ionenfalle nicht ausreichend, um eine merkliche Abnahme der Geschwindigkeit zu erzeugen; der Druck wird klassisch so eingestellt, dass die mittlere freie Weglänge ein mehrfaches des Durchmessers der Ionenfalle beträgt. Dieser Druck ist optimal, wenn die Ionenfalle auch als Ionenanalysator verwendet werden soll, da dann während des massenselektiven Ionenauswurfs keine massiven Störungen durch Stoßablenkungen zu erwarten sind.
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Die Einfangquote für Ionen kann nun erfindungsgemäß erhöht werden, wenn die Ionen an der Gegen-Endkappen-Elektrode während der Reflektion stark gestreut werden. Das kann beispielsweise durch eine stark profilierte Oberfläche erreicht werden, wie sie in gezeigt wird. Die Profilierung kann rillen- oder auch höckerförmig sein. Da bei einer Reflektion mit gleichzeitiger seitlicher Ablenkung die Geschwindigkeitskomponente und damit auch die Impulskomponente in axialer Rückwärtsrichtung viel kleiner ist, können die Ionen gemeinhin nicht mehr die Endkappen-Elektrode erreichen, durch die sie eingetreten sind. Außerdem kann der Druck des Dämpfungsgases in der Ionenfalle erhöht werden, um eine schnellere Dämpfung der Ionenoszillationen zu erreichen. Durch diese Maßnahmen kann die Einfangquote auf etwa 50% der angelieferten Ionen erhöht werden. Es kann auch zusätzlich die Oberfläche der Ring-Elektrode mit einer solchen Profilierung versehen werden, um auch hier eine streuende Reflektion zu erreichen. Die Form der Ionenfalle braucht jetzt nicht mehr hyperbolisch sein; es kann beispielsweise (als Grenzfall) eine einfache zylindrische Ring-Elektrode mit zwei ebenen Deckeln als Endkappen-Elektroden gewählt werden. Eine Profilierung sorgt für ein Nahfeld des Pseudopotentials, das eine Reflektion auch an einer Zylinderwand ermöglicht.
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Da sich die stark verformte Ionenfalle nicht mehr gut für eine Resonanzanregung von Ionen eignet, sollte die Isolierung der Analyt-Ionen nicht mehr in der Ionenfalle selbst vorgenommen werden. Es werden somit die Analyt-Ionen in zweckmäßiger Weise vor der Einführung in die Ionenfalle von allen anderen Ionen getrennt. Eine „Isolierung” der Ionen besteht darin, dass nur die gewünschten Analyt-Ionen eines Gemisches aus Ionen verbleiben, während die anderen Ionen ausgeschieden werden. Eine solche Isolierung kann beispielsweise in einem als Quadrupolfilter geschaltetem Quadrupol-Stabsystem vorgenommen werden, das die Ionen auf dem Wege zur Ionenfalle passieren müssen, also beispielsweise durch das Quadrupol-Stabsystem (20), das dann aber als Quadrupolfilter mit einer überlagerten Gleichspannung betrieben werden muss.
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Es kann aber die Einfangquote für die Ionen noch weiter erhöht werden, indem man eine Hochfrequenz-Ionenfalle baut, die sich durch Umschaltung zeitweilig als lineare Ionenfalle mit gutem Ioneneinfang und zeitweilig als dreidimensionale Ionenfalle betreiben lässt, letzteres beispielsweise für Ionenreaktionen.
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Ein Beispiel für eine solche Ionenfalle ist in dargestellt, und zwar als eine Ionenfalle, deren Ring-Elektrode in acht Polstäbe geteilt und umgeformt ist. Werden die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung alternierend an benachbarte Polstäbe angeschlossen, so entsteht eine lineare Oktopol-Ionenfalle mit bekannt gutem Einfangvermögen für die mit sehr niedriger kinetischer Energie axial eingeschossenen Ionen, zumal bei erhöhtem Druck des Dampfungsgases. Die beiden Endkappen-Elektroden tragen dann leicht abstoßende Gleichspannungspotentiale, um die Ionen am Ausfließen zu hindern. Sind die Analytionen eingefangen, so kann die Ionenfalle auf einen Betrieb als dreidimensionale Ionenfalle umgeschaltet werden. Dazu wird nur eine Phase einer Hochfrequenzspannung verwendet und an alle acht Polstäbe gemeinsam angeschlossen, die somit die Ring-Elektrode substituieren. zeigt schematisch eine solche Umschaltmöglichkeit.
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Auch hier ist es günstig, die Analyt-Ionen vor der Einführung in die lineare Oktopol-Ionenfalle durch ein Quadrupol-Filter zu isolieren, wenn die Analyt-Ionen allein und unvermischt weiteren Reaktionen unterzogen werden sollen.
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Die Analytionen, die in der Betriebsweise als lineare Ionenfalle weit ausgedehnte Wolken ausbilden, wie beispielsweise in für eine Hexapol-Ionenfalle mit leicht gekrümmtem Polstäben als lang ausgedehnte Wolke längs der Achse des Systems gezeigt, ziehen sich nach der Umschaltung zu einer mehr kugel- oder linsenförmigen Wolke zusammen, wie in zu sehen. Das ergibt sich daraus, dass das Hochfrequenzfeld im Inneren nach der Laplace-Gleichung einen schmalen rotations-quadrupolaren Potentialsattel ausbildet, der in der unmittelbaren Nähe des Sattelpunkts in allen dreidimensionalen Ionenfallen gleich ausgebildet ist und ein Minimum des Pseudopotentials formt. Die Haltekraft dieses Minimums des Pseudopotentials wird allerdings umso schwächer, je länger die lineare Ionenfalle ausgebildet ist. Man muss daher hier einen Kompromiss zwischen einer länglichen linearen Ionenfalle und einer möglichst kurzen dreidimensionalen Ionenfalle schließen. Günstig ist es, wenn der Abstand zwischen den Endkappen-Elektroden höchstens so lang wie der Innendurchmesser zwischen den Polstäben oder jedenfalls nur wenig länger ist. Der Einfang in der linearen Ionenfalle muss dann durch einen relativ hohen Druck des Dämpfungsgases oder durch Profilierungen der Endkappen-Elektroden unterstützt werden. Die freie Weglänge der Ionen sollte nur einen Bruchteil der Strecke zwischen den Endkappen-Elektroden betragen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist in gezeigt: Die lineare Dodekapol-Ionenfalle ist relativ kurz und die Endkappen-Elektroden (62) und (64) sind profiliert mit einer hyperbolisch geformten Einhüllenden. Die mit geringer kinetischer Energie eingeschossenen Ionen werden an den Profilen der gegenüber liegenden Endkappen-Elektrode streuend reflektiert. Das Gleichspannungspotential dieser Endkappen-Elektrode ist so hoch gewählt, dass die eingeschossenen Ionen die Elektrode gerade so eben nicht erreichen können. Die streuend reflektierten Ionen können aber auch die rückwärtige Endkappen-Elektrode, durch die sie eingeschossen wurden, nicht mehr erreichen, weil ihre Impulskomponente in dieser Richtung nach der streuenden Reflektion nicht mehr ausreicht. In der Betriebsweise als lineare Dodekapol-Ionenfalle sammeln sich die Ionen als torusförmige Wolke vor den Polstäben (63) an. Sie werden durch die Gleichspannungspotentiale zwischen Endkappen-Elektroden und Polstäben dort hin getrieben, und durch das Pseudopotential vor den Polstäben dort abgestoßen und so festgehalten. Wird jetzt durch eine gemeinsame Hochfrequenzspannung an allen Polstäben eine dreidimensionale Ionenfalle erzeugt, so sammeln sich die Ionen in einer nunmehr linsenförmigen Wolke im Zentrum der Ionenfalle. Um beim Umschalten keine Ionenverluste zu erleiden, kann es notwendig sein, die Umschaltung langsam vorzunehmen. Dabei kann es zweckmäßig sein, eine Phase der Hochspannung, die an einer Hälfte der Polstäbe anliegt, erst langsam wegzunehmen und dann zu einer Spannung mit entgegen gesetzter Phase hochzufahren, so dass nach dem hochfahren die gleiche Phase der Hochfregenzspannung an allen Polstäben anliegt.
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Nach dem Umschalten des Betriebes auf den einer dreidimensionalen Ionenfalle sind die Analyt-Ionen jetzt für Reaktionen mit Reaktant-Ionen vorbereitet. Es können jetzt die Reaktant-Ionen eingeführt werden. Dabei ist es nicht mehr notwendig, eine hohe Einfangeffizienz zu haben, da die Reaktant-Ionen in der Regel in beliebigem Überschuss hergestellt werden können, anders als die Analyt-Ionen, deren Analytmoleküle in einer Probe oft nur sehr beschränkt zur Verfügung stehen.
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Die Reaktant-Ionen können beispielsweise über den gleichen Weg wie die Analyt-Ionen eingeführt werden, wenn auch der Einfang-Mechanismus völlig verschieden ist. In der Regel werden die Reaktant-Ionen über ein Ionenleitsystem in Form eines Multipol-Stabsystems an die Ionenfalle herangeführt, wie das in den , , und erkennbar ist. Durch Quadrupol-Stabsysteme in der Kette der Ionenleitsysteme ist es auch möglich, eine Sorte von Ionen als Reaktant-Ionen auszuwählen, indem das Quadrupol-Stabsystem wie ein Quadrupolfilter beschaltet wird.
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Der Prozess des Ioneneinfangs lässt die Reaktant-Ionen, sofern sie nicht auf die Begrenzungs-Elektroden prallen, wilde Oszillationen in der Ionenfalle ausführen, wobei sie allmählich durch Stöße ihre kinetische Energie abgeben, dabei mehrfach durch die Wolke der Analyt-Ionen fliegen und sich schließlich gedämpft ebenfalls in der zentralen Wolke einfinden. Soweit sie nicht bereits vorher bei den Durchflügen mit den Analyt-Ionen reagiert haben, werden sie jetzt mit den Analyt-Ionen reagieren, da sie ja nicht durch Coulomb-Abstoßung von den Ionen der anderen Polarität ferngehalten, sondern im Gegenteil von diesen angezogen werden. Für das Eintreten einer Reaktion ist es allerdings notwendig, dass die reagierenden Ionen keine großen Geschwindigkeiten relativ zueinander besitzen; da aber ein Stoßgas vorhanden ist, werden die Geschwindigkeitsunterschiede mit der Zeit ausgeglichen, so dass die Reaktant-Ionen auf jeden Fall mit den Analyt-Ionen reagieren. Sind die Reaktionen genügend weit fortgeschritten, so wird die Zufuhr von weiteren Reaktant-Ionen unterbrochen. Diese Art der Zufuhr von negativen Reaktant-Ionen vermeidet es, dass ein örtlich in der Wolke beschränkt lokalisierter Teil der Analyt-Ionen übermäßig mit den Reaktant-Ionen reagieren kann, wie das bei der Zusammenführung zweier getrennt gehaltener Wolkenstränge aus Analyt- und Reaktant-Ionen in einer linearen Ionenfalle der Fall ist.
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Die Umschaltung zwischen dem Betrieb als linearer und dem als dreidimensionaler Ionenfalle kann einfach durch einen Schalter geschehen, wie das schematisch in gezeigt wird. Eine solche einfache Umschaltung ist aber problematisch, weil dabei nicht gewährleistet ist, dass in beiden Schalterstellungen ein Schwingkreis hoher Güte erzeugt wird. Die hohe Güte kann aber durch zusätzliche Abstimmung mit Kondensatoren, oder aber durch die Verwendung zweier getrennter und eigens abgestimmter Lufttransformatoren, zwischen denen voll umgeschaltet wird, erhalten werden. Dabei kann auch eine allmähliche Umschaltung der Hochfrequenzspannungen vor Ionenverlusten schützen. Elektrotechnisch versierte Fachleute können leicht solche die Güte erhaltende Schaltungen entwickeln.
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Bei den Reaktionen der Analyt-Ionen entstehen Produkt-Ionen. Diese müssen zur Messung eines Produkt-Ionenspektrums einem Ionenanalysator zugeführt werden. Für den Ionenanalysator kommt beinahe jedes massenspektrometrisches Prinzip in Frage, wobei aber solche Prinzipien, die eine hohe Nutzung der Ionen zur Messung aufweisen, zu bevorzugen sind. Damit sind filternde Geräte, wie beispielsweise magnetische Sektorfeldgeräte oder Quadrupolfilter-Massenspektrometer weniger günstig. Ionenzyklotronresonanz-Masenspektrometer (ICR-FTMS) sind insbesondere dann günstig, wenn es auf hohes Massenauflösungsvermögen und hohe Massengenauigkeit ankommt. Ganz besonders geeignet sind aber auch Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Einschuss der Ionen, da sie neben einer guten Massengenauigkeit und einer guten Ionennutzung auch eine hohe Messdynamik aufweisen.
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Die Produkt-Ionen können aus der Ionenfalle sowohl zur Eingangsseite hin wie auch zur gegenüberliegenden Seite ausgeworfen werden, wodurch entweder ein Sackgassenbetrieb wie in oder ein Durchgangsbetrieb wie in entsteht. Für den Durchgangsbetrieb eignen sich insbesondere solche Ionenfallen, deren Betrieb sich von dem einer linearen Ionenfalle zu dem einer dreidimensionalen Ionenfalle umschalten lässt. Die ausgeworfenen Produkt-Ionen werden dem Ionenanalysator zugeführt.
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Der Auswurf der Ionen kann insbesondere durch Gleichspannungspotentiale bewirkt werden, die nach Abschalten der Hochfrequenzspannung an die Fallen-Elektroden angelegt werden. Es können durch diese Gleichspannungspotentiale insbesondere auch fokussierende Effekte erzeugt werden, die die Produkt-Ionen sehr gut durch eine der Öffnungen in einer der Endkappen-Elektroden auswerfen. Bei solchen Ionenfallen, deren Betrieb sich umschalten lässt, können die Produkt-Ionen auch gut im Betrieb als lineare Ionenfalle ausgeworfen werden, wenn sie sich dort als schmale, längliche Wolke in der Achse ansammeln und so gut durch die Ausgangsöffnung ausgetrieben werden können.
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Die Verwendung von Ionenfallen, deren Betrieb sich von linear auf dreidimensional umschalten lässt, ist auch besonders günstig für eine Fragmentierung der Analyt-Ionen durch hoch angeregte Neutralatome, wie das in der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 049 549 A1 (R. Zubarev et al.) beschrieben ist. Die hoch angeregten Neutralatome, beispielsweise hoch angeregte Heliumatome, werden vorzugsweise in einem FAB-Generator (
39) erzeugt und zu einem feinen Atomstrahl (
38) geformt. Dieser Atomstrahl muss dann auf eine Ansammlung von Analyt-Ionen (
37) gerichtet werden. Das kann besonders gut in umschaltbaren Ionenfalle der
,
und
geschehen, da sich die Analyt-Ionen im Betrieb als dreidimensionale Ionenfalle in einer kleinen, fast kugeligen Wolke (
37) sammeln, wie in
schematisch dargestellt. Der Atomstrahl kann dann leicht durch die Zwischenräume zwischen den Polstäben auf diese Wolke gerichtet werden. Dieser Elektronen-Transfer von hoch angeregten Helium-Atomen zu den mehrfach positiv geladenen Analyt-Ionen, der auch MAID (metastable atom induced dissociation) genannt wird, führt zu Fragmentierungen, wie sie auch durch Elektronen-Einfang (ECD = electron capture dissociation) oder durch Elektronen-Transfer von negativen Ionen aus (ETD = electron transfer dissociation) stattfinden. Die konzentrierte Ionenwolke in dreidimensionalen Ionenfallen ist hier wesentlich günstiger als die langgestreckte Ionenwolke in linearen Ionenfallen.
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Es ist für eine Strukturbestimmung von Peptiden oder Proteinen besonders günstig, wenn dieser elektroneninduzierten Fragmentierung (ECD, ETD, MAID) eine Fragmentierung gegenübergestellt werden kann, wie sie der Stoßfragmentierung entspricht. Man spricht hier auch von einer „ergodischen” Fragmentierung, die auf einem langsam aufgebauten Überschuss an innerer Energie im Ion beruht. Die innere Energie kann durch eine Vielzahl von niederenergetischen Stößen, aber beispielsweise auch durch eine Vielzahl an absorbierten Infrarot-Photonen in das Ionen hineingebracht werden. Im letzteren Fall spricht man von IRMPD (infrared multi photon dissociation). Diese Art der Fragmentierung lässt sich ebenfalls in einer dreidimensionalen Ionenfalle mit ihrer guten Konzentration der Analyt-Ionen in einer fast kugeligen Wolke (37) gut durchführen. In kann der Strahl (38) daher auch als Strahl von Infrarot-Photonen ausgebildet sein, der aus einem Infrarot-Generator (39) stammt, beispielsweise aus einem Infrarot-Laser.
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In einer umschaltbaren dreidimensionalen Ionenfalle, die wie in über die Höcker hinweg rotationshyperbolische Konturen der Endkappen-Elektroden besitzt, können die Ionen aber auch durch eine Anregungshochfrequenzspannung zwischen den beiden Endkappen-Elektroden zu resonanten Schwingungen angeregt werden. Damit ist es möglich, in einer solchen Ionenfalle auch die gewöhnliche Stoßfragmentierung durchzuführen.
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Außerdem ist es mit einer solchen Ionenfalle möglich, die Ionen, die sich im dreidimensionalen Betrieb in einer engen. linsenförmigen Wolke befinden, sehr schnell aus der Ionenfalle in eine Flugstrecke eines Flugzeitmassenspektrometers auszupulsen. Dabei ist sogar eine Fokussierung der örtlich verteilten Ionen möglich. Für einen solchen Betrieb ist es günstig, eine Ionenfalle, die ähnlich zu der in ausgebildet ist, mit einem Austrittsloch in der zweiten Endkappen-Elektrode zu versehen, um die Ionenfalle im Durchgangsbetrieb verwenden zu können.
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Die hier gebrachten beiden Beispiele für die Erhöhung der Einfangeffizienz durch strukturierte Elektroden decken aber längs nicht alle Möglichkeiten ab. So können beispielsweise auch die Endkappen-Elektroden der in gezeigten klassischen Ionenfalle in zwei Halbschalen mit zwei verschiedenen Reflektions-Spannungen geteilt werden, um die Ionen im Streufeld der beiden Halbschalen seitwärts abgelenkt zu reflektieren. Diese reflektierenden Spannungen können sowohl Gleichspannungen wie auch Hochfrequenzspannungen sein. Auch eine Teilung der Einschuss-Elektrode für eine seitliche Ablenkung der Ionen beim Einschuss ist eine Maßnahme zur Erhöhung der Einfangeffizienz. Es kann auch die Ring-Elektrode in einzelne Scheibenelektroden mit Versorgung durch verschiedene Hochfrequenzamplituden zerlegt werden, um die Einfangwahrscheinlichkeit zu verbessern.
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Alle diese Maßnahmen werden aber nur möglich, weil die Hochfrequenz-Ionenfalle nicht gleichzeitig als Ionenanalysator verwendet wird. Dieser Verzicht macht es auch möglich, den Stoßgasdruck in der Ionenfalle kräftig zu erhöhen. Auch diese Maßnahme dient der Erhöhung der Einfangeffizienz, aber auch für eine schnellere Dämpfung der Ionen. Außerdem erlaubt dieser Verzicht, die Ionenfalle für die Reaktionen mit einem Vielfachen der Anzahl von Ionen zu füllen als für die Funktion als Ionenanalysator verkraftbar ist. Der Verzicht auf die Benutzung der Ionenfalle als Ionenanalysator fällt aber auch für viele analytische Aufgaben nicht schwer, weil andere Analysatoren der Ionenfalle weit überlegen sein können, beispielsweise in Bezug auf die Massenauflösung oder auf den dynamischen Messbereich.
