DE102007047075B4

DE102007047075B4 - Kompensation der Raumladungseffekte in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern

Info

Publication number: DE102007047075B4
Application number: DE102007047075A
Authority: DE
Inventors: Gökhan Baykut; Roland Jertz
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: GB0724490D0; GB2453391A; US7615743B2; GB2453391B; DE102007047075A1; US20090084948A1

Abstract

Verfahren zur Kompensation von Raumladungseffekten in einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer mit einer ICR-Falle, die stirnseitig Trapping-Elektroden aus einer Vielzahl von Elektrodenelementen aufweist, mit denen in der Nähe der Trapping-Elektroden ein bewegungsinduziertes oder wechselfeldinduziertes Pseudopotential erzeugt wird, das ionenabstoßend wirkt und dadurch Ionen axial in der ICR-Falle einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass an Elektrodenelemente der Trapping-Elektroden, an stirnseitig angeordnete Kompensationselektroden oder an beide ein elektrostatisches ionenanziehendes Kompensationspotential so angelegt wird, dass im Vergleich zum Pseudopotential in größeren Abständen von den Trapping-Elektroden ein ionenanziehendes elektrostatisches Feld erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eliminierung der Raumladungseffekte in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Einer der wichtigsten Vorteile der Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (ICR-MS) ist, dass sie Tandem-in-Zeit massenspektrometrische Experimente ermöglicht. Ionen werden meistens in einer speziellen Ionenquelle erzeugt, mit Hilfe eines Ionenleitsystems in die Ionenfalle (ICR-Falle) des Ionenzyklotronresonanz-Massensspektrometers geführt und dort eingefangen. In der Falle können die Ionen theoretisch für eine beliebig lange Zeit gespeichert werden. Ihre Wechselwirkungen mit Molekülen, Elektronen oder Photonen können dort studiert werden, sowie ein- oder mehrstufige Fragmentierungsexperimente (MS/MS oder MSⁿ) können direkt in der Falle sequenziell durchgeführt werden.
Die Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), in deren ICR-Falle die Ionen durch ein Magnetfeld und ein elektrostatisches Feld eingeschlossen werden, liefert die höchste Massengenauigkeit und das höchste Auflösungsvermögen unter allen massenspektrometrischen Methoden. Der Betrieb und die Funktionsweise eines herkömmlichen Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers werden anhand der näher erläutert. Die Ionen werden beispielsweise durch Elektrosprühen in einer vakuumexternen Ionenquelle (1) erzeugt und zusammen mit Umgebungsgas durch eine Kapillare (2) in die erste Stufe (3) eines differentiellen Pumpsystems eingeführt, das aus den Kammern (3), (5), (7), (9), (11) und (13) besteht und von den Pumpen (4), (6), (8), (10), (12) und (14) bepumpt wird. Die Ionen werden in den Kammern (3) und (5) von den Ionentrichtern (15) bzw. (15*) aufgefangen und durch ein Multipol-Ionenleitsystem (16), in dem Ionen auch gespeichert werden können, durch ein Quadrupol-Massenfilter (17) und einen weiteren Multipol (18), der ebenfalls das Speichern von Ionen erlaubt, in das Haupt-Ionenleitystem (19) zur ICR-Falle (20) geführt und in ihr eingeschlossen.
Die ICR-Falle (20) besteht üblicherweise aus vier mantelförmig umschließenden Längselektroden (21) und den beiden Trapping-Elektroden (22), die jeweils ein zentrales Loch besitzen. Das Vakuumsystem verfügt über ein Laserfenster (23) für Photodissoziations Experimente in der ICR-Falle. Die ICR-Falle befindet sich im homogenen Bereich eines starken Magnetfelds, das durch supraleitende Spulen in einem Helium-Kryostat (24) erzeugt wird und eine hohe zeitliche Konstanz und Homogenität der Magnetfeldstärke besitzt. Das Magnetfeld ist dabei parallel zu den mantelförmigen Längselektroden (21) ausgerichtet. Weiterhin können Ionen, zu einer externen Bestimmung des Totalionenstromes auf der Ionenleitstrecke auch zu einem Detektor geführt werden. Abgebildet ist als Beispiel ein Detektor (25), in dessen Richtung Ionen abgelenkt werden können, sobald eine Totalionenstrommessung erwünscht wird.
In einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer werden die Ionen radial von einem Magnetfeld eingeschlossen und führen eine Zyklotronbewegung aus. Um die Ionen entlang des Magnetfeldes axial festzuhalten, werden abstoßende elektrostatische Felder verwendet. Dazu wird an die Trapping-Elektroden (oft ebene Platten), die sich an den Stirnseiten der ICR-Falle befinden, eine Gleichspannung (Trapping-Spannung) angelegt, die für die Ionen ein abstoßendes Potential (Trapping-Potential) erzeugt. Die Anregungs- und Detektionselektroden der ICR-Falle liegen gleichspannungsmäßig auf Massepotential. Somit führen die Ionen eine weitere, von der Zyklotronbewegung unabhängige Bewegung, die sogenannte Trapping-Schwingung aus. Bei der Massenbestimmung mit Hilfe der Fourier-Transform-FT-ICR-MS werden die Ionen durch ein radiales, frequenz-durchgestimmtes Hochfrequenz-Wechselfeld auf größere Zyklotronbahnen angeregt. Dabei bilden alle in der ICR-Falle vorhandenen Ionen mit gleichem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis kohärente Ionenwolken. Beim Vorbeifliegen an den Detektionselektroden induzieren diese Ionenwolken Bildströme, die verstärkt, digitalisiert und anschließend Fourier-transformiert werden. Aus dem dabei entstehenden Frequenzspektrum können die Massenwerte mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Eine Massenkalibrierung führt anschließend zu akkuraten Massenwerten.
Das Anlegen der Trapping-Spannung zerstört die zwar die idealen Bedingungen für eine reine Zyklotronbewegung, die eigentlich in einer elektrisch feldfreien Umgebung, im homogenen Magnetfeld definiert ist. Da das Trappingfeld aber für den Betrieb einer konventionellen ICR-Falle nach dem Stand der Technik notwendig ist, wird das dadurch entstehende elektrostatische Feld in der ICR-Falle toleriert. In der ICR-Falle sind axiale und radiale Komponenten dieses elektrostatischen Feldes ortsabhängig. Da die Ionen sich sowohl mit der Trapping-Schwingung als auch mit der Zyklotronbewegung (besonders nach Anregung mit dem Hochfrequenz-Wechselfeld) in einem relativ großen Volumen in der Falle bewegen, erfahren sie ortsabhängig variierende Kräfte durch ortsabhängige elektrische Feldvektoren.
Ein gemeinsames Problem aller Ionenfallen ist die aufgrund mehrerer gespeicherter Ionen gebildete Raumladung, die zusätzlich zum elektrostatischen Trappingfeld ein elektrisches Feld in der Ionenfalle erzeugt. In der ICR-Falle wirkt das elektrische Feld einer Raumladung auf die Zyklotronbewegung der Ionen, sowie auf das elektrostatische Feld der Trapping-Elektroden.
Die Umlauffrequenz ω = 2πν_c der Zyklotronbewegung der Ionen mit der Masse m und der Ladung q im Magnetfeld der Flußdichte B ist gegeben als die sogenannte Zyklotronfrequenz ω_c = qB/m. Die Frequenz der Trappingschwingung der Ionen in Richtung der Magnetfeldachse ist gegeben als
wobei V_T die angelegte Trappingspannung, a der Abstand zwischen den Trappingelektroden und α eine Geometriekonstante sind. Das Trappingpotential beeinflusst zudem die Zyklotronbewegung und verändert die Zyklotronfrequenz. Die auf diese Weise reduzierte Zyklotronfrequenz ω₊ der Ionen ist durch folgende, wohlbekannte Gleichung [1] gegeben:
Die Raumladung bewirkt, dass die Zyklotronfrequenz zusätzlich auf einen Wert von ω_R,+ reduziert wird, was mit einem weiteren negativen Term in der Wurzel der obigen Gleichung [1] ausgedrückt wird:
Dabei ist ρ die Anzahldichte der Ionen, G_i ein Geometriefaktor der Ionenwolke, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums.
Eine Erfindung, die das elektrostatische Trappingfeld in der FT-ICR Massenspektrometrie vermeidet, ist in der Patentschrift US 7038200 B2 (Nikolaev) und in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 038 661 A1 (Franzen und Nikolaev) beschrieben, in der eine ICR-Falle eingeführt worden ist, die Trapping-Elektroden mit parallelen Gitterdrähten (oder einem Muster von Elektroden) einsetzt. Dabei sind die Trapping-Elektroden so an eine Hochfrequenzwechselspannung angeschlossen, dass die benachbarten Elemente des Musters (z. B. Drähte) unterschiedliche Phasen aufweisen. Auf diese Weise erfahren nur Ionen in der Nähe der Trapping-Elektroden eine abstoßende Kraft und kehren zurück. Der wohlbekannte Begriff „Pseudopotential” vermittelt eine anschauliche Beschreibung dieses Effekts. Das Pseudopotential ist in erster Näherung eine Funktion der lokalen elektrischen Feldstärke, der Masse und der Ladung des Ions, sowie der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes. Im Folgenden wird dieses Pseudopotential „wechselfeldinduziertes Pseudopotential” genannt.
Der Einsatz einer Hochfrequenzspannung zum Speichern von Ionen in einer ICR-Falle ist allerdings problematisch, da zur Massenbestimmung gerade Hochfrequenzen gemessen werden. Es ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 061 821 A1 (Franzen und Nikolaev) allerdings eine weitere Betriebsweise einer ICR-Falle mit einem Muster von Trapping-Elektroden bekannt, die keine Hochfrequenz mehr benötigt. In dieser ICR-Falle erzeugen die benachbarten Elemente des Elektrodenmusters elektrostatische Potentiale mit entgegengesetzter Polarität. Wenn Ionen, die auf ihren Zyklotronbahnen kreisen, sich den stirnseitigen Trapping-Elektroden nähern, passieren sie Elektrodenelemente unterschiedlicher Polarität und erfahren durch ihre Bewegung relativ zu den Elektroden ein inhomogenes, elektrisches Hochfrequenzwechselfeld, an dem sie zurück in die ICR-Falle reflektiert werden. Hier wird den Ionen beim Vorbeiflug an den Elektrodenelementen ein abstoßendes Pseudopotential vermittelt, das sie nur durch ihre eigene Bewegung erfahren. Ein ruhendes Ion dagegen würde hier keine abstoßende Kraft erfahren. Im Folgenden wird dieses Pseudopotential „bewegungsinduziertes Pseudopotential” genannt.
Eine solche ICR-Falle stellt einem einzelnen Ion im Zentralbereich eine Umgebung zur Verfügung, die praktisch frei von elektrostatischen Feldern ist. Deshalb beschreibt ein Ion unter diesen Bedingungen eine Zyklotronbewegung mit seiner ungestörten Zyklotronfrequenz ω_c. Wenn sich jedoch mehrere Ionen in der Falle befinden, erzeugen diese zwangsläufig aufgrund ihrer eigenen Raumladung ein zusätzliches elektrostatisches Feld in der Falle, das die Zyklotronfrequenz der einzelnen Ionen wiederum reduziert. Dieser Effekt ist ähnlich dem eines konventionellen elektrostatischen Trappingfeldes.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Effekte der Raumladung auf die Zyklotronfrequenz der Ionen kompensiert werden, so dass die von der Raumladung abhängigen systematischen Fehler der Massenbestimmung minimiert werden.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung besteht aus einem Verfahren und einer Vorrichtung für ein ICR-Massenspektrometer, bei dem die Ionen parallel zum Magnetfeld durch Potentiale an einem Muster von Elektroden eingeschlossen werden und während ihres Vorbeiflugs ein inhomogenes elektrisches Hochfrequenzwechselfeld mit abstoßender Wirkung erfahren. Diese abstoßende Wirkung kann durch ein bewegungsinduziertes oder ein wechselfeldinduziertes Pseudopotential erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung überlagert diesem von Ionen erfahrenen elektrischen Wechselfeld ein zusätzliches elektrostatisches Feld in der ICR-Falle. Das Massenspektrometer muss dafür über eine Spannungsversorgung verfügen, die es erlaubt, ein zusätzliches elektrostatisches Feld in der ICR-Falle anzulegen. Dieses zusätzliche elektrostatische Feld wird durch anziehende Potentiale an den Trapping-Elektroden erzeugt. Das zusätzliche elektrostatische Feld kann so eingestellt werden, dass die durch die Raumladung verursachte Zyklotronfrequenzverschiebung der Ionen reduziert oder vollständig aufgehoben wird. Bei einer bestimmten Stärke des zusätzlichen elektrostatischen Feldes ist die gemessene Zyklotronfrequenz der Ionen nicht mehr abhängig von der Raumladung. Dieser Punkt entspricht bei allen Massenpeaks des Spektrums – innerhalb der Messgenauigkeit – dem gleichen Wert des zusätzlichen elektrostatischen Feldes.
Im Folgenden wird das Muster von Elektroden, das die Ionen durch abstoßende Kräfte in der Falle hält, als „Trappingelektrodenmuster” bezeichnet. Potentiale, an die das Trappingelektrodenmuster angeschlossen wird, werden im Folgenden als „Elektrodenmusterpotentiale” genannt. Die einzelnen Einheiten des Trappingelektrodenmusters werden als „Elemente des Elektrodenmusters” oder „Elektrodenmusterelemente” bezeichnet. Das zusätzliche elektrostatische Feld, das für die Reduktion der von der Raumladung herrührenden Zyklotronfrequenzverschiebung eingesetzt wird, wird im Folgenden als ionenanziehendes elektrostatisches Feld und das zugehörige Potential als „Kompensationspotential” bezeichnet. Das Kompensationspotential wirkt auf die Ionen nicht speichernd, sondern anziehend.
Das ionenanziehende elektrostatische Feld kann durch Anlegen von Spannungen an das Trappingelektrodenmuster so hergestellt werden, dass die benachbarten Elemente des Elektrodenmusters elektrostatische Potentiale zwar entgegengesetzter Polarität, jedoch nicht des gleichen Betrages besitzen. Das resultierende Feldmuster wird in der unmittelbaren Nähe der Trappingelektroden asymmetrisch, während in größeren Abständen in der ICR-Falle lediglich ein resultierendes anziehendes elektrostatisches Feld übrigbleibt. Wenn das Trappingelektrodenmuster mit einer Hochfrequenz betrieben wird, dann wird das ionenanziehende elektrostatische Feld mit Hilfe eines Gleichspannungs-Offsets an den Elementen des Trappingelektrodenmusters erzeugt.
Die Ionen können während ihres Vorbeiflugs an einem Muster von Elektrodenelementen ein inhomogenes elektrisches Wechselfeld erfahren, wenn benachbarte Elektrodenelemente an Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität angeschlossen sind. Hier ist die Frequenz des erfahrenen Wechselfeldes das Produkt aus der Zyklotronfrequenz des jeweiligen Ions und der Anzahl der Elektrodenpaare mit entgegengesetzter Polarität, an denen das Ion in einem Umlauf vorbeifliegt. Die Ionen können auch ein inhomogenes elektrisches Wechselfeld in der Nähe des Musters von Elektroden erfahren, wenn benachbarte Elemente des Musters an verschiedene Phasen einer Hochfrequenz-Wechselspannung angeschlossen sind. In beiden Fällen muss das Massenspektrometer über eine Spannungsversorgung verfügen, die es erlaubt, ein zusätzliches elektrostatisches Feld in der ICR-Falle zu erzeugen.
Ein Ensemble von positiven Ionen in einer ICR-Falle erzeugt ein radiales elektrisches Feld in Richtung der Anregungs- und Detektionsplatten, die normalerweise auf Massepotential liegen. Durch das Ionenensemble wird zusätzlich ein elektrisches Feld auch in Richtung der Trappingelektroden mit dem Muster von Elektrodenelementen erzeugt. Da an den benachbarten Elementen dieses Elektrodenmusters normalerweise Gleichspannungen gleichen Betrages, jedoch entgegengesetzter Polarität anliegen, werden zwar elektrostatische Felder zwischen den Elementen des Musters erzeugt, aber nach Außen hin, in größerer Distanz (abhängig von der angelegten Spannung) erscheint diese Platte elektrisch neutral.
zeigt eine zylindrische ICR-Falle mit Trappingplatten, auf die ein Elektrodenmuster bestehend aus dünnen, radialen, speichenförmigen Elementen angebracht ist (Stand der Technik). An diesen Trappingplatten werden Ionen durch das bewegungsinduzierte Pseudopotential zurückreflektiert. An benachbarte Speichen dieser Platte sind statische Spannungen gleichen Betrages aber mit entgegengesetzter Polarität angelegt. In der sind (26) und (27) die Trappingplatten mit dem Speichenmuster (28). Die Öffnung (29) wird für die Ionenzufuhr von einer Seite der ICR-Falle und für die Elektronen- bzw. Photonenzufuhr von der anderen Seite der ICR-Falle genutzt. Eine zentrale Gleichspannungselektrode (30) dient in diesem Fall zum Speichern thermischer Ionen, deren Zyklotronradien vor der Anregung ihrer Zyklotronbewegung so klein sind, dass sie das Speichenmuster (28) nicht sehen. Der Pfeil (31) zeigt die Richtung des Magnetfeldes während des Betriebes dieser ICR-Fallen. In dieser Abbildung sind (32) und (34) die Detektionselektroden und (33) eine der Anregungselektroden. Die zweite Anregungselektrode befindet sich auf der Rückseite der ICR-Falle und ist in dieser Abbildung nicht sichtbar.
Das zusätzliche elektrostatische Feld zur Reduzierung der Raumladungsverschiebung der Zyklotronfrequenz kann mit denselben Elektroden des Trappingelektrodenmusters erzeugt werden, von denen die Ionen durch das bewegungsinduzierte Pseudopotential diese abstoßende Kraft erfahren. Das zusätzliche elektrostatische Feld kann aber auch durch weitere, getrennte und isolierte Elektroden oder Muster von Elektroden erzeugt werden, die zum Beispiel zwischen den Elektroden des Trappingelektrodenmusters platziert sind. Wenn getrennte zusätzliche Elektroden bzw. Muster von Elektroden für die Herstellung dieses zusätzlichen elektrostatischen Feldes verwendet werden, so werden diese im Folgenden als „Kompensationselektroden”, bzw. als „Kompensationselektrodenmuster” bezeichnet.
Das zusätzliche elektrostatische Feld wird so eingestellt, dass es zumindest einen Teil des radialen Feldes der Raumladung kompensiert. Denn das radiale Feld, erzeugt von Ionen oder von Trappingpotentialen (in einer herkömmlichen ICR-Falle), ist der Hauptverursacher der Zyklotronfrequenzverschiebung, da hier die Lorentzkraft nicht nur die Zentrifugalkraft ausgleichen muss (wie im ungestörten Fall), sondern auch die radial-gerichtete elektrische Kraft qE →_R :
Hier ist m die Masse des Ions, q seine elektrische Ladung, υ →_⊥ seine Geschwindigkeit senkrecht zur Magnetfeldrichtung, B → die magnetische Kraftflussdichte, r → der Zyklotronradius und E →_R radiale Komponente (die Komponente senkrecht zur Magnetfeldrichtung) des elektrischen Feldes am Ort der Kraftwirkung.
Das ionenanziehende elektrostatische Feld wird in der ICR-Falle vor der Bildstromdetektion und vorzugsweise nach der Anregung der Zyklotronbewegung der Ionen eingeschaltet. Es kann aber auch vorher eingeschaltet werden. Während der anschließenden Bestimmung ihrer Zyklotronfrequenz ist die Korrektur der Raumladungsverschiebung der Zyklotronfrequenz somit abgeschlossen.
Kurze Beschreibung der
zeigt ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer.
zeigt eine ICR Falle nach dem letzten Stand der Technik, worauf die Erfindung angewandt wird.
zeigt ein Beispiel für die Korrektur der Verschiebung der Ionenmassensignale durch Anwendung des anziehenden Kompensationspotentials.
zeigt eine mögliche Ausführung der Trapping-Elektroden zur Anwendung der vorliegenden Erfindung.
zeigt die klassischen Infinity-Trappingelektroden (Stand der Technik) einer ICR-Falle.
zeigt die Implementierung von Infinity-Elektroden zwischen den speichenförmigen Elektrodenelementen des Trapping-Elektrodenmusters als mögliche Träger des anziehenden Kompensationspotentials.
und zeigen für die zwei ausgewählten Massenpeaks m/z 499 und m/z 749 aus demselben Spektrum die Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen von der angelegten zusätzlichen Gleichspannung für zwei unterschiedliche Probenkonzentrationen. Die Messpunkte der unteren Kurven sind mit jeweils zehnfacher Konzentration aufgenommen. Die Kurven schneiden sich bei einem bestimmten Wert der angelegten zusätzlichen Gleichspannung in einem Punkt, in der die Frequenz nicht mehr abhängig von der Raumladung ist.
Ausführungsbeispiele
dient zur Veranschaulichung der Eliminierung der raumladungsbedingten Massenverschiebung durch Anwendung des zusätzlichen elektrostatischen Feldes. Der Spektrumsausschnitt (35) zeigt den monoisotopischen Peak des protonierten Moleküls von Reserpin, aufgenommen in einer ICR-Falle mit einem Trappingelektrodenmuster mit radialer Speichenform. An die benachbarten Speichen, deren Potentiale entgegengesetzte Polarität haben müssen, wurden in diesem Experiment Spannungen von +50 V und –50 V gelegt. Die Ionen wurden so durch die abstoßende Wirkung des Hochfrequenzwechselfeldes, die sie beim Vorbeiflug am Speichenmuster erfahren, in der ICR-Falle festgehalten. Dieses Spektrum wurde unter den gegebenen Raumladungsbedingungen massenkalibriert. Allen weiteren Spektren, die mit größerer Anzahl von Ionen aufgenommen wurden, liegen dieser Massenkalibrierung zugrunde, um später die relative Massenverschiebung des Ionensignals bei größeren Mengen von Ionen beobachten zu können.
Nach Aufnahme des Spektrums (35) wurde die in das Spektrometer eingelassene Menge Reserpin so erhöht, dass ein annähernd hundertfach intensiveres Signal des protonierten Reserpins entstand (36). Das Spektrum (35) ist der Übersichtlichkeit halber in der Abbildung einhundertfach vergrößert dargestellt (Bemerkung „×100” rechts vom Spektrum). Verglichen mit (35) ist das Ionensignal in (36) nun zu höheren Massen hin verschoben, da die Existenz einer größeren Raumladung in der ICR-Falle die Zyklotronfrequenz entsprechend stärker reduziert. Spektrum (37) zeigt, wie durch ein zusätzliches elektrostatisches Potential die Zyklotronfrequenzverschiebung praktisch eliminiert werden kann. Während der Aufnahme dieses Spektrums wurden an die benachbarten Speichen-Spannungen von +50 V und –50,45 V angelegt. Die so erzeugten Potentiale waren also nicht mehr symmetrisch +50 V und –50 V, sondern es resultierte in der ICR-Falle für das komplette Elektrodenmuster ein Kompensationspotential mit einem Nettobetrag von –0,225 V (–045/2 Volt).
Ein für den Betrieb des ICR-Massenspektrometers wichtiges Detail ist, dass die Ionen, die mit thermischen Geschwindigkeiten die ICR-Falle erreichen und eingefangen werden, sehr kleine Zyklotronbahnen beschreiben. Ein einfach geladenes thermisches Ion mit der Masse 1000 Da beschreibt in einem Magnetfeld von 7 Tesla eine Zyklotronbahn mit einem Radius von etwa einem Zehntel Millimeter. Da normalerweise das Trappingelektrodenmuster grobkörniger ausgeführt ist, würden diese Ionen mit extrem kleinen Umlaufradien das inhomogene abstoßende Wechselfeld nicht erfahren können.
Wenn ein Elektrodenmuster grobkörniger Struktur verwendet wird, können thermische Ionen in der Falle zunächst durch ein elektrostatisches Trappingfeld eingeschlossen werden (ähnlich wie in einer klassischen ICR-Falle nach dem früheren Stand der Technik). Erst nach Anregung der Zyklotronbewegung der Ionen kann dieses elektrostatische Feld ausgeschaltet werden und Ionen können dann durch das inhomogene Wechselfeld, das sie beim Vorbeifliegen des Trappingelektrodenmusters erfahren, eingeschlossen werden. Um diesen elektrostatischen Einschluss der Ionen zu bewerkstelligen, kann das komplette Trappingelektrodenmuster zunächst an eine Gleichspannung angeschlossen werden. So können thermische Ionen mit kleinen Zyklotronradien in der Falle gespeichert werden. Nach der Zyklotronanregung der Ionen kann diese Spannung wieder ausgeschaltet werden, und die Elektrodenmusterpotentiale des normalen Betriebs, sowie das Kompensationspotential können aktiviert werden.
Alternativ können in der Mitte jeder Trappingplatte mit dem Trappingelektrodenmuster zusätzlich großflächige, klassische Trappingelektroden angebracht werden. Diese Elektroden werden im Folgenden als „zentrale DC-Trappingelektroden” bezeichnet. Zunächst wird an diese Elektroden eine weitere Gleichspannung angelegt. Sobald die Ionen sich nach Anregung ihrer Zyklotronbewegung auf Bahnen mit größeren Radien als der Radius dieser zentralen DC-Trappingelektroden bewegen, wird die Gleichspannung wieder ausgeschaltet.
Die Elemente des Elektrodenmusters können dünne, radiale Speichen sein, von denen Benachbarte auf Spannungen gleichen Betrages aber entgegengesetzter Polarität gelegt werden. zeigt eine Platte (38) aus einem elektrisch nichtleitenden Material (z. B. Keramik), auf welche radiale, metallische Elektroden von zwei Gruppen (39) und (40) angebracht (z. B. aufgedampft) sind. In der Abbildung sind der Übersichtlichkeit halber jeweils nur drei von diesen Speichenelektroden gekennzeichnet. Die elektrischen Anschlüsse aller Speichen (39) liegen auf dem Ring (41), die der Speichen (40) auf dem Ring (42). Der Ring (41) ist auf der Frontseite der Platte (38) angebracht (z. B. aufgedampft), und der Ring (42) auf der Rückseite dieser Platte (38). Die Verbindungen der Speichen (40) zu dem Ring (42) sind durch kleine metallisierte Löcher (43) in der Platte (38) hergestellt. Für die Speicherung von Ionen durch ein bewegungsinduziertes Pseudopotential wird an den Ring (41) am Anschlusspunkt (44) eine positive Gleichspannung V₊ angeschlossen. Der Ring (42) liegt am Anschlusspunkt (45) an einer negativen Gleichspannung V_– des gleichen Betrages. Das Kompensationspotential wird z. B. durch gleichzeitiges Anlegen einer zusätzlichen Gleichspannung V_1,Komp am Anschusspunkt (44) und einer zusätzlichen Gleichspannung V_2,Komp am Anschlusspunkt (45) erzeugt. Der Mittelwert der Spannungen V_1,Komp und V_2,Komp erzeugt das zusätzliche, ionenanziehende elektrostatische Kompensationspotential in der ICR-Falle. Wenn diese den gleichen Absolutwert und entgegengesetzte Polaritäten besitzen, wird in der Falle kein zusätzliches elektrostatisches Potential erzeugt. Wenn z. B. positive Ionen gespeichert werden, und wenn dabei beide dieser zusätzlichen Gleichspannungen den gleichen negativen Wert –0,3 V besitzen, erzeugt das in der ICR-Falle ein ionenanziehendes Kompensationspotential von –0,3 V. Die zusätzlichen Gleichspannungen können auf die Speichen auch unsymmetrisch verteilt werden. Wenn z. B. V_1,Komp den Wert 0 V und V_2,Komp den Wert –0,45 V hat, erzeugt das in der ICR-Falle ein Nettopotential von 0,225 V, das auf positive Ionen anziehend wirkt. Wenn zur Speicherung der Ionen ein wechselfeldinduziertes Pseudopotential verwendet wird, muss anstelle der Gleichspannungen V₊ und V_– eine dipolare Hochfrequenzwechselspannung V_HF mit einer Phase an den Ring (41) am Anschlusspunkt (44) angelegt werden. Die um 180° verschobene zweite Phase liegt dann am Ring (42) über den Anschlusspunkt (45) an. Das Kompensationspotential wird entsprechend der oben beschriebenen Methode für bewegungsinduziertes Pseudopotential erzeugt. Jedoch müssen hier die Gleichspannungen kapazitiv an die Anschlusspunkte (44) und (45) angeschlossen werden. In der ist (29) die Öffnung zur Einführung von Ionen oder Elektronen bzw. Photonen, und (30) ist die zentrale DC-Trappingelektrode zum anfänglichen Speichern von thermischen Ionen vor ihrer Zyklotronanregung.
Ionen, die in einer klassischen ICR-Falle durch ein radiales Dipolfeld angeregt werden, können auf Grund der axialen Komponenten des Anregungsfeldes (Komponenten parallel zum Magnetfeld) auch in Richtung der Trappingplatten beschleunigt werden. Ein Teil dieser Ionen geht an den Trappingplatten verloren. Dieser Ionenverlust reduziert die Empfindlichkeit des Massenspektrometers. Deshalb sind fortschrittlichere Versionen klassischer ICR-Fallen, wie im Patent DE 39 14 838 C2 (Allemann und Caravatti) und im Paten US 5 019 706 A (Allemann und Caravatti) beschrieben, mit sogenannten Infinity-Trappingelektroden ausgestattet. In einer der Alternativen werden die Trappingplatten einer speziellen ICR-Falle in Segmente aufgeteilt, die mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung das Äquipotentialmuster des dipolaren Anregungsfeldes grob abbilden. Diese Segmente, auf denen normalerweise die Trapping-Gleichspannung liegt, strahlen somit während des Zyklotronanregungspulses mit Hilfe einer kapazitiven Kopplung zusätzlich das Hochfrequenzfeld ein. Dieses Schema entspricht einer Anregung von Ionen, die in einer unendlich langen ICR-Falle, (die sogenannte Infinity-ICR-Falle) gespeichert sind. Da auf diese Weise keine signifikanten axialen Hochfrequenzfeldkomponenten entstehen, werden Ionenverluste praktisch eliminiert. Eine weitere Ausführung benutzt eine Dreisektions-ICR-Falle mit offenen Enden. Die beiden äußeren Sektionen funktionieren als Trappingelektroden und bestehen – wie die mittlere Sektion – aus vier Mantelektroden. Während des Zyklotronanregungspulses wird das Hochfrequenz-Anregungsfeld der mittleren Sektion, in der sich die Ionen befinden, von den entsprechenden zwei Elektroden der äußeren Sektionen durch eine kapazitive Kopplung zusätzlich eingestrahlt.
Um eine Infinity-Version der ICR-Falle mit der vorliegenden Erfindung zu kombinieren, bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Die Elektroden des Trappingelektrodenmusters können in Segmente zusammengefasst werden, welche die Äquipotentialflächen des Hochfrequenz-Dipolanregungsfeldes grob abbilden. Diese Segmente strahlen dann während der Anregungspulsdauer die entsprechenden Hochfrequenzfelder in die ICR-Falle ein. Es können jedoch auch zusätzliche, geteilte Elektroden installiert werden, welche bei der Hochfrequenz-Anregung der Ionenzyklotronbewegung durch ihre Form und Teilung das Hochfrequenz-Amplitudengefälle zwischen den beiden Anregungselektroden in der ICR-Falle einstrahlen. Diese werden in der restlichen Zeit entweder auf Massepotential oder auf ein definiertes elektrostatisches Potential gelegt, um das ionenanziehende elektrostatische Feld zu erzeugen.
zeigt die segmentierte Trapping-Elektrode einer klassischen Infinity-ICR-Falle (Stand der Technik). Die Elektroden sind auf eine Keramikplatte (46) aufgedampft, die etwas größer ist als der Durchmesser der zylindrischen ICR-Falle. Nur der mit dem Leitermaterial (z. B. Metall oder Titannitrid) bedampfte Teil der Keramikplatte liegt in der ICR-Falle. In diesem Beispiel ist die Trapping-Platte in elf Segmente (47) geteilt, die durch grob abgebildete, momentane Äquipotentiallinien des Hochfrequenz-Anregungsfeldes getrennt sind. Die Öffnung (48) ist für die Einführung von extern erzeugten Ionen oder von Elektronen bzw. Laserstrahlen gedacht. zeigt die Implementierung eines Infinity-Elektrodenmusters in eine Trapping-Platte mit speichenförmigen Elementen des Trappingelektrodenmusters zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Elektroden sind auch in diesem Ausführungsbeispiel auf eine Keramikplatte (49) angebracht. Zwischen den speichenförmigen Elementen (50) des Elektrodenmusters sind hier zusätzliche Elektroden (51) angebracht (z. B. aufgedampft). Diese Elektroden (51) sind in diesem Beispiel etwas breiter ausgelegt als die speichenförmigen Trappingelektrodenelemente (50). Sie können jedoch auch sehr dünn sein. Diese zusätzlichen Elektroden sind nicht nur in Form von Sektoren geteilt. Wie in dargestellt, sind sie auch weiter geteilt, um die Abbildung der momentanen Äquipotentiallinien (52) des Hochfrequenzanregungsfeldes grob abbilden zu können. Hier ist (53) die Öffnung zur Einführung von Ionen oder von Elektronen bzw. Laserstrahlen, und (54) ist die zentrale DC-Trappingelektrode (hier auch geteilt nach Infinity-Elektrodenmusters) zur anfänglichen Speicherung von thermischen Ionen mit sehr kleinen Zyklotronradien.
Eine Kompensation der raumladungsbedingten Verschiebung der Zyklotronfrequenz ist dann möglich, wenn der Wert der ungestörten Zyklotronfrequenz des jeweiligen Ionenmassenpeaks bekannt ist. Dann kann während der Einstellung des Kompensationspotentials dieser Wert angestrebt werden. Eine Anwendungsmöglichkeit ist, dem unbekannten Analyten eine bekannte Substanz beizufügen, wonach die Kompensation durch Messung dieses bekannten Peaks durchgeführt wird. Dadurch werden die Verschiebungen der unbekannten Peaks des Analyten oder Analytengemisches zurückverschoben. Das entspricht einer Raumladungskompensation mit einem internen Standard.
Obwohl die Kompensation der raumladungsbedingten Frequenzverschiebung in Form einer manuellen Korrektur durchgeführt werden kann, erfordern massenspektrometrische Routinemessungen eine automatische Korrektur. Experimentell vermittelte Zusammenhänge zwischen der Ladungsverteilung in der ICR-Falle und der Verschiebung der Zyklotronfrequenzen können für die automatische Kompensation angewandt werden. Dazu müssen Total- bzw. Partialionenstrommessungen durchgeführt werden.
Bei der Chromatographie-gekoppelten FT-ICR-Massenspektrometrie (z. B. HPLC-FT-ICR-MS) ist diese Methode sehr wichtig. Der Anstieg und der Abfall eines chromatographischen Peaks deutet auf eine starke zeitliche Änderung der in die ICR-Falle eingeführten Ionenladung hin. Hier muss also der Ionenstrom sehr schnell gemessen und die Kompensation sofort durchgeführt werden. Eine Messung des momentanen Ionenstroms kann z. B. in der ICR-Falle direkt vor der eigentlichen Aufnahme des Massenspektrums durchgerührt werden. Momentane Ionenströme können aber auch außerhalb der ICR-Falle mittels eines Ionendetektors (25) ( ) auf dem Weg von der Ionenquelle zur ICR-Falle gemessen werden. Die so erhaltenen Messwerte werden für die Einstellung des ionenanziehenden elektrostatischen Feldes benutzt. In einem Algorithmus für die automatische Einstellung des Kompensationspotentials können sowohl der gemessene Ionenstrom, als auch Parameter (wie z. B. die Amplitude der Zyklotronanregung) zur Aufnahme eines FT-ICR-Massenspektrums berücksichtigt werden. Eine „on-line” Kompensation der Raumladungseffekte ist z. B. bei langen Flüssigchromatographie-FT-ICR-Messreihen, in denen nur eine begrenzte Zeit für die Aufnahme eines einzelnen Spektrums zur Verfügung steht, sehr hilfreich. Hier müssen während der Eluierung der Analyten eine möglichst hohe Anzahl von Massenspektren (auch MS/MS-Spektren) in einem Flüssigchromatographiepeak aufgenommen und dabei eine möglichst hohe Messgenauigkeit der Massen erreicht werden. Bei Chromatographiepeaks kann eine Steigungskorrektur des Ionenstroms durch Einbeziehung der letzten Werte in dem gleichen Peak hilfreich sein, um einen realistischen Schätzwert des momentanen Ionenstroms zu bekommen.
Wenn die Intensität eines Chromatographiepeaks jedoch sehr stark variiert, d. h. wenn sie sehr schnell wächst und ebenso abklingt, wird durch jeden Puls eine komplett andere Anzahl von Ladungen in die ICR-Falle eingelassen. Wenn Totalionenstrom gemessen werden soll, kann hier wie folgt verfahren werden. Elektrospray-generierte Ionen werden vorübergehend in einer linearen Falle gespeichert. Durch einen vorkalkulierten kurzen Extraktionspuls (Sondierungspuls) wird ein entsprechend kleiner Bruchteil der gespeicherten Ionen aus der linearen Falle extrahiert, um eine Ionenstrommessung am Detektor (25) durchzuführen. Der Messwert ergibt den Totalionenstrom für diesen bekannten Bruchteil von allen vorübergehend gespeicherten Ionen. Somit kann on-line ausgerechnet werden, wieviel Ionenstrom mit dem Rest der in der linearen Falle gespeicherten Ionen erzeugt werden kann. Daraufhin werden diese Ionen in die ICR-Falle geleitet, das entsprechende Kompensationspotential eingestellt und die raumladungsbedingte Zyklotronfrequenzverschiebung eliminiert. Die Korrelation zwischen der Ionenzahl im kurzen Sondierungspuls und der restlichen Füllung der linearen Falle und deren Raumladungseffekt in der ICR-Falle kann experimentell festgestellt und kalibriert werden.
Im Falle einer Ionenstrommessung in der ICR-Falle kann die Messung aus der vorhergehenden Aufnahme auch übernommen werden. Bei sehr stark variierenden Ionenströmen kann jedoch das spezielle Messverfahren aus dem Paragraph [045] mit einem Sondierungspuls hier angewandt werden.
Experimente haben gezeigt, dass bei einer bestimmten Kompensationsspannung die gemessenen Zyklotronfrequenzen der Ionen in der ICR-Falle unabhängig von der Raumladung sind. Das Diagramm in der zeigt den Verlauf der Resonanzfrequenzen einer positiv geladenen Ionenspezies für zwei unterschiedliche Probenkonzentrationen, aufgenommen in einer mit speichenförmigem Elektrodenmuster ausgestatteten ICR-Falle, die für die Ionen ein bewegungsinduziertes Pseudopotential erzeugt. An die negativen Speichen wurde im Experiment eine zusätzliche Gleichspannung angeschlossen, die in der ICR-Falle ein zusätzliches Netto-Gleichspannungpotential erzeugt. Die Messpunkte der Kurven (55) in und (57) in zeigen den Verlauf beim Durchstimmen dieses Gleichspannungspotentials im Falle einer niedrigen Probenkonzentration für die Ionen mit m/z 499 (in ) und m/z 749 (in ). Die Messpunkte der Kurve (56) in und (58) in sind mit einer etwa zehnfach höheren Probenkonzentration der gleichen Probe aufgenommen. Sie sind zunächst aufgrund der höheren Raumladung gegenüber den Kurven (55) und (57) der Messreihen mit niedriger Konzentration deutlich verschoben. Zu negativeren Werten des Gleichspannungspotentials hin nähern sich die beiden Kurven und erreichen an einem Punkt (59) denselben Wert für die gemessene Resonanzfrequenz. An diesem Punkt (59) ist die gemessene Zyklotronfrequenz unabhängig von der Anzahl der Ionen und somit von der Raumladung.
Wenn in der ICR-Falle Ionen unterschiedlicher Massen gleichzeitig gespeichert sind, wird das zusätzliche, ionenanziehende elektrostatische Kompensationspotential so eingestellt, dass die Verschiebung der Zyklotronfrequenzen für alle Ionen gleich stark ist. Für diese Einstellung des Potentials wird dann eine Massenkalibrierung vorgenommen. Diese Kalibrierkurve ist für Ionen aller Massen unabhängig von der Raumladung gültig.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Raumladungseffekten in einem Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer mit einer ICR-Falle, die stirnseitig Trapping-Elektroden aus einer Vielzahl von Elektrodenelementen aufweist, mit denen in der Nähe der Trapping-Elektroden ein bewegungsinduziertes oder wechselfeldinduziertes Pseudopotential erzeugt wird, das ionenabstoßend wirkt und dadurch Ionen axial in der ICR-Falle einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass an Elektrodenelemente der Trapping-Elektroden, an stirnseitig angeordnete Kompensationselektroden oder an beide ein elektrostatisches ionenanziehendes Kompensationspotential so angelegt wird, dass im Vergleich zum Pseudopotential in größeren Abständen von den Trapping-Elektroden ein ionenanziehendes elektrostatisches Feld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einspeicherung von Ionen mit unterschiedlichen Massen, von denen mindestens eine Zyklotronfrequenz bekannt ist, eine Messung der Zyklotronfrequenzen erfolgt, wobei die Einstellung des elektrostatischen ionenanziehenden Kompensationspotentials derart durchgeführt wird, dass eine gemessene Verschiebung bei den bekannten Zyklotronfrequenzen kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitig in der ICR-Falle gespeicherten Ionen unterschiedlicher Massen eine Messung der Zyklotronfrequenzen erfolgt, wobei das elektrostatische ionenanziehende Kompensationspotential derart eingestellt wird, dass eine Verschiebung der Zyklotronfrequenzen unabhängig von der Anzahl der gespeicherten Ionen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für diese Einstellung, bei der die Verschiebung der Zyklotronfrequenzen unabhängig von der Anzahl der gespeicherten Ionen ist, eine Kalibrierung der Massen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ionenstrommessung entweder in der ICR-Falle oder vor der Einführung der Ionen in die ICR-Falle durchgeführt wird, und dass das elektrostatische ionenanziehende Kompensationspotential in Abhängigkeit von den erhaltenen Messwerten eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an benachbarte Elektrodenelemente der Trapping-Elektroden verschiedene Phasen einer Hochfrequenzspannung angeschlossen werden, wodurch das ionenabstoßende wechselfeldinduzierte Pseudopotential erzeugt wird, und das elektrostatische ionenanziehende Kompensationspotential durch einen Gleichspannungs-Offset dieser Hochfrequenzspannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an benachbarten Elektrodenelementen der Trapping-Elektroden Gleichspannungspotentiale mit unterschiedlicher Polarität anlegen, wodurch das ionenabstoßende bewegungsinduzierte Pseudopotential erzeugt wird, und das elektrostatische ionenanziehende Kompensationspotential dadurch erzeugt wird, dass sich die Gleichspannungspotentiale nicht ausgleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden separat und isoliert von den Elektrodenelementen der Trapping-Elektroden, mit denen das ionenabstoßende bewegungsinduzierte Pseudopotential erzeugt wird, angebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen zunächst konventionell durch ein elektrostatisches ionenabstoßendes Trapping-Gleichspannungsfeld in der ICR-Falle eingeschlossen werden und nach Anregung der Ionen auf größere Zyklotronradien das elektrostatische ionenabstoßende Trapping-Gleichspannungsfeld wieder ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrostatische ionenanziehende Kompensationspotential erst nach einer Zyklotronanregung der Ionen und vor einer Bildstromdetektion erzeugt wird.