-
Die
Erfindung bezieht sich auf die Einstellung der Verstärkung von
Sekundärelektronenvervielfachern
in Massenspektrometern.
-
Die
Erfindung besteht darin, zunächst
Massenspektren mit Einzelionensignalen zu erzeugen, dann den Mittelwert
der Peakhöhen
dieser Einzelionensignale zu bestimmen, und die Verstärkung so einzustellen,
dass ein vorgegebener Mittelwert der Peakhöhen erreicht wird. Die Verstärkung wird über die
Versorgungsspannung des Sekundärelektronenvervielfachers
eingestellt und kann bei Kenntnis der Kennlinie des Sekundärelektronenvervielfachers leicht über eine
Spannungsdifferenz um einen gewünschten
Faktor erhöht
oder erniedrigt werden.
-
Stand der Technik
-
Die
Einstellung der Verstärkung
eines Sekundärelektronenvervielfachers
(SEV) in einem Massenspektrometer bietet im Allgemeinen große Schwierigkeiten.
Man kann bei den meisten Massenspektrometern weder die Stärke der
Ionenerzeugung in der Ionenquelle noch die Verstärkung des SEV für sich alleine
messen, beide können
sich jedoch in einem weiten Bereich gegenseitig kompensieren. Man kann
daher bei einem zu hohen Signal kaum feststellen, ob man zu viele
Ionen generiert oder ob man die Verstärkung des SEV zu hoch justiert
hat. Eine hohe Verstärkung
des SEV ist aber schädlich:
zum einen wird die Lebensdauer des SEV herabgesetzt, zum anderen
wird das Massenspektrum unnötig
verrauscht, da man zu wenig Ionen misst. Das Problem ergibt sich,
da die Verstärkung
eines Sekundärelektronenvervielfachers
nicht über
seine Lebenszeit konstant bleibt, sondern sich während der Benutzung durch Alterungsvorgänge dauernd ändert, wobei
die Änderungen
stetig, aber auch in mehr oder weniger großen Sprüngen auftreten können.
-
Die
Problemlage sei hier beispielhaft an zwei völlig verschiedenen Massenspektrometern
erklärt: an
Hochfrequenz-Ionenfallenmassenspektrometern nach Wolfgang Paul,
die vielfach mit Channeltron-Detektoren, und an MALDI-Flugzeitmassenspektrometern,
die überwiegend
mit Vielkanalplatten (Multichannel Plates) arbeiten. Dabei kommt
es auf die Art des SEV gar nicht an. Das Problem liegt allein darin,
dass sich die Rate der Ionenerzeugung oder der Ionenbefüllung und
die Verstärkung
des SEV so kompensieren, dass man die SEV-Verstärkung nicht für sich allein
bestimmen kann. Die Massenspektrometer besitzen in der Regel auch
keine andersartigen Messvorrichtungen für Ionenströme, mit denen man die Verstärkung des
Sekundärelektronenvervielfachers
bestimmen kann.
-
In
einem MALDI-Flugzeitmassenspektrometer werden die Ionen aus festen
Proben mit einer Ionisierung durch matrixunterstützte Laserdesorption erzeugt.
Die Proben befinden sich eingetrocknet auf einem Probenträger und
bestehen aus einem Gemisch aus Matrixmaterial, in der Regel eine
leicht verdampfbare organischen Säure, mit sehr wenigen Analytmolekülen, die
untersucht werden sollen. Der Beschuss mit Laserlichtpulsen geeigneter
Wellenlänge
und geeigneter Pulsdauer führt
zur Erzeugung einer kleinen Plasmawolke, in der neben vielen Ionen der
Matrixsubstanz auch zufriedenstellend viele Ionen der Analytsubstanz
gebildet werden.
-
Die
Anzahl der pro Laserschuss gebildeten Ionen kann durch eine Einstellung
der Laserenergie in weiten Grenzen (über mehrere Zehnerpotenzen) variiert
werden, wobei aber nur ein schmaler Bereich relativ stabile, also
nicht rasch zerfallende, Analytionen liefert. Nur in diesem schmalen
Be reich können gute
Analysen ausgeführt
werden. Die optimale Laserenergie ist andererseits von der Art des
Matrixmaterials abhängig.
Die Laserenergie wird im Allgemeinen anhand des gemessenen Ionenstroms
eingestellt, der überwiegend
aus Matrixionen besteht. Dieser gemessene Ionenstrom hängt aber
von der Detektorverstärkung
ab. Würde
der Detektor immer konstant arbeiten und keine Alterung zeigen,
könnte dessen
Verstärkung
ein einziges Mal im Herstellerwerk eingestellt werden und würde über seine
Lebenszeit hinweg erlauben, immer die optimale Laserenergie einzustellen.
Die Sekundärelektronenvervielfacher
alter aber, und hier liegt das Problem.
-
Ähnlich ist
es in Ionenfallenmassenspektrometern. Hier ist es nicht die Stärke der
Ionenerzeugung, sondern der Vorgang der Befüllung der Ionenfalle mit Ionen,
der über
den Ionenstrom am Detektor geregelt wird. Diese Befüllung ist
kritisch, da das Massenspektrum schon bei leichter Überfüllung in seiner
Qualität,
insbesondere in seinem Massenauflösungsvermögen, abnimmt. Die Überfüllung hängt dabei
aber nicht einfach von der Anzahl der Ionen in der Ionenfalle ab,
sondern sehr stark auch von der Verteilung der Ionen auf die verschiedenen
Massen. Die Steuerung der Befüllung
geschieht daher durch eine Analyse des vorhergehend aufgenommenen Massenspektrums.
dessen Ionenanzahlen für
die einzelnen Ionensorten möglichst
genau bekannt sein sollen. Die Bestimmung der Anzahlen von Ionen
geschieht aber wieder über
den Ionenstrom am Detektor. Auch hier stört die Alterung des Sekundärelektronenvervielfachers,
der bei schwacher werdender Verstärkung diese Anzahlen von Ionen
ohne eine Neueinstellung seiner Verstärkung nicht mehr genau zu bestimmen
gestattet.
-
Es
gibt mehrere Arten von Sekundärelektronenvervielfachern
(SEV, häufig
kurz als „Multiplier” bezeichnet).
Die ältesten,
aber auch heute noch verwendeten Sekundärelektronenvervielfacher bestehen
aus diskreten Dynoden, zwischen denen durch einen Spannungsteiler
Spannungen in der Größenordnung
von jeweils 100 bis 200 Volt aufgespannt sind. Es gibt Sekundärelektronenvervielfacher
mit 8 bis 18 Dynoden. Die Ionen treffen auf die erste Dynode, generieren
dort Sekundärelektronen,
die beschleunigt werden und dann auf die zweite Dynode treffen.
Jedes dieser Elektronen erzeugt dann wiederum im Mittel mehrere
Sekundärelektronen,
so dass sich längs
der Dynoden eine Lawine aus Elektronen ausbildet. Die Verstärkung ist
die Anzahl von Elektronen aus der letzten Dynode pro Ion, das auf die
erste Dynode fallt. Die Verstärkungen
handelsüblicher
Multiplier können
durch Veränderung
der Gesamtspannung in weiten Bereichen, im Extrem zwischen 104 und 108, verändert werden,
wobei in der Regel ein Betrieb bei höchsten Spannungen zu einer sehr
schnellen Alterung führt.
-
Andere
Arten von Sekundärelektronenvervielfachern
sind die so genannten „Channeltron
Multiplier” und
die Vielkanalplatten (Multichannel Plates). Letztere werden gewöhnlich in
Ausführungen
geliefert, die aus zwei Platten hintereinander mit leicht zueinander
geneigten Kanalrichtungen (Chevron-Anordnung) bestehen. In diesen
beiden Arten von Sekundärelektronenvervielfachern
herrschen Spannungsabfälle
auf der Oberfläche
von inneren Kanälen,
die bei geeigneter Formgebung und Oberflächenkonditionierung zu Elektronenlawinen
in den Kanälen
führen.
Die Verstärkungsbereiche
sind ähnlich zu
denen von Dynoden-Sekundärelektronenvervielfachern.
In 1 ist die Kennlinie für eine Doppel-Vielkanalplatte
mit Kanälen
von nur zwei Mikrometer Durchmesser dargestellt.
-
Die
Sekundärelektronenvervielfacher
haben Kennlinien, die den Logarithmus der Verstärkung in Abhängigkeit
von der Versorgungsspannung zeigen. Die Kennlinien sind in etwa
gerade; das heißt,
eine Zunahme der Versorgungsspannung um einen Wert ΔV hebt die
Verstärkung
jeweils um einen Faktor F an. Durch die Alterung ändert sich
die Lage der Kennlinie, ihre Steigung bleibt aber in etwa erhalten. Eine
altersbedingte Verringerung der Verstärkung um einen Faktor F kann
also in gewissen Umfang durch eine Erhöhung der Spannung um ΔV wieder
ausgeglichen werden.
-
Leider
ist es aber so, dass alle Sekundärelektronenvervielfacher
im Laufe ihres Lebens in ihrer Verstärkung nachlassen. Diese Alterung
hängt aber nicht
einfach von der Zeit ab, sondern von der Zeitdauer ihrer Benutzung,
von der Art und der Energie der Ionen, die die erste Generation
von Elektronen erzeugen, und von weiteren Parameter wie Temperatur,
Erholpausen, Art des Restgases im Vakuum, Belüftungsphasen und anderen mehr.
Ihre Verstärkung, die
von der angelegten Spannung abhängt,
muss also gelegentlich durch Justierung dieser Spannung nachgestellt
werden. Wünschenswert
wäre eine
automatische Justierung, die regelmäßig im Massenspektrometer ablaufen
könnte
oder die der Benutzer nur anstoßen
müsste.
Für diese
Justierung gibt es aber kein Verfahren, das sich einfach automatisieren ließe.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein möglichst automatisierbares Verfahren
zur reproduzierbaren Einstellung einer gewünschten Verstärkung von
Sekundärelektronenvervielfachern
in Massenspektrometern bereitzustellen, wobei das Verfahren keine Änderung
der Massenspektrometer erfordern soll.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Die
Erfindung besteht darin, Massenspektren mit Einzelionensignalen
zu erzeugen, den Mittelwert der Peakhöhen dieser Einzelionensignale
zu bestimmen, und die Verstärkung
des Sekundärelektronenvervielfachers
so einzustellen, dass ein gewünschter
Mittelwert der Peakhöhen
erreicht wird.
-
Für die Aufnahme
eines Massenspektrums mit Einzelionensignalen ist es günstig, die
Ionenerzeugung in der Ionenquelle oder die Befüllung der Ionenfalle herabzusetzen
und das Massenspektrum so zu dejustieren, dass im Massenspektrum
viele Peaks erscheinen, die jeweils nur von einem einzigen Ion stammen.
Deren Signale sollten sich möglichst
nicht stark überlappen.
Es ist nicht notwendig, dass das Massenspektrum nur aus solchen
Einzelionensignalen besteht, diese müssen aber gut erkennbar sein. Einzelionensignale
können
in der Regel gut an ihrer charakteristischen Peakbreite in halber
Maximalhöhe erkannt
werden.
-
Die
Peakhöhen
der Einzelionenpeaks streuen sehr stark, da die Ionen beim Auftreffen
auf den SEV in Form einer Poissonverteilung zwischen null bis zu
sechs oder mehr Sekundärelektronen
erzeugen können,
und ihre Peakhöhen
daher auch um entsprechende Faktoren von eins bis sechs schwanken. Für eine gute
Bestimmung der Mittelwerte der Peakhöhen sind daher aus statistischen
Gründen
mindestens dreißig
Einzelionenpeaks auszuwerten; besser sind hundert oder sogar weit
mehr. Damit der Mittelwert der Peakhöhen genügend gut bestimmt werden kann
und damit nicht versehentlich kleine Peaks übersehen werden, kann es notwendig
sein, die Verstär kung
vor der Bestimmung der Peakhöhen
der Einzelionensignale genügend
weit heraufzusetzen. Sind in einem solchen Massenspektrum mit Einzelionenpeaks
nicht genügend
Einzelionenpeaks enthalten, so können
mehrere solche Massenspektren aufgenommen und für die Bestimmung des Mittelswerts herangezogen
werden.
-
Die
Einstellung der vorgegebenen Verstärkung des SEV kann so vorgenommen
werden, dass in mehreren Einstellversuchen mit Messungen neuer Massenspektren
der vorgegebene Mittelwert der Peakhöhen erreicht wird; einfacher
ist allerdings die Einstellung über
die bekannte Kennlinie des SEV, die den Zusammenhang zwischen einer
Spannungsänderung
und dem zugehörigen Änderungsfaktor
für die
Verstärkung
wiedergibt. Soll ein sehr kleiner Mittelwert der Peakhöhen als
Sollwert eingestellt werden, so ist die Verwendung der Kennlinie
unumgänglich,
da hier ihre Peakhöhen
nicht mehr direkt, sondern nur unter Erhöhung der Verstärkung gemessen werden
können.
-
Kurze Beschreibung der Abbildungen
-
1 zeigt
die Kennlinie einer üblichen Doppel-Vielkanalplatte
in Chevron-Anordnung, die aus sehr feinen Kanälen mit nur zwei Mikrometer Durchmesser
besteht. Wegen der sehr feinen Kanäle ist der Verstärkungsbereich
etwas eingeschränkt, reicht
aber selbst hier von 4 × 104 bis 1 × 107.
-
Die 2 und 3 geben
Ausschnitte aus einem Massenspektrum wieder, das mit einem einzelnen
Laserschuss in einem MALDI-Flugzeitmassenspektrometer gewonnen wurde
und im Wesentlichen aus Einzelionenpeaks besteht. Die Streuung der
Peakhöhen
ist bemerkenswert groß und
geht auf die Ausbeute an Sekundärelektronen
beim Aufschlag der Ionen zurück,
die zwischen null und sechs Sekundärelektronen beträgt. Die
Masse der Ionen entspricht ungefähr
der angezeigten Masse der Massenskala unter dem Spektrum, daher
kann man hier die Einstellung der Verstärkung mit Ionen ausgewählter Massenbereiche
vornehmen.
-
Beste Ausführungsformen
-
Das
Verfahren der Erfindung zur reproduzierbaren Einstellung der Verstärkung eines
Sekundärelektronenvervielfachers
in einem Massenspektrometer besteht im Wesentlichen aus folgenden
drei Schritten:
- (a) Aufnahme eines Massenspektrums
mit Einzelionensignalen,
- (b) Bestimmung des Mittelwerts der Peakhöhen der Einzelionensignale,
und
- (c) Einstellung der Versorgungsspannung des Sekundärelektronenvervielfachers
so, dass für
Einzelionensignale ein vorgegebener Sollwert für den Mittelwert der Peakhöhen erreicht
wird.
-
Um
zu Massenspektren mit einer genügenden
Anzahl an Einzelionensignalen zu gelangen, ist es zweckmäßig, das
Massenspektrometer durch Dejustierung der zeitlichen und/oder räumlichen
Fokussierung so zu betreiben, dass sein Auflösungsvermögen extrem schlecht wird und
sich die normalerweise gut aufgelösten Ionensignale für Ionen
jeweils einer Masse zu einem breiten Überlappungsgemisch verändern. In
jedem Massenspektrometer lässt
sich außerdem
die Anzahl der Ionen, die zum Detektor gelangen, sehr stark vermindern,
bis vorwiegend nur noch Einzelionensignale ohne Überlappung im Massenspektrum
erscheinen. Dazu kann man beispielsweise die Erzeugungsrate für die Ionen
in der Ionenquelle herabsetzen oder die Ionentransmission durch das
Massenspektrometer drosseln. In solchen Massenspektrometern, die
mit Ionenfallen oder Zwischenspeichern arbeiten, kann man die Füllmengen stark
verkleinern. Alle diese Maßnahmen
dienen dazu, das Massenspektrum auf Signale zu reduzieren, die deutlich über dem
elektronischen Untergrundrauschen stehen und einzelnen Ionen zugeordnet
werden können.
Dabei ist es einerlei, ob diese Einzelionensignale von Ionen aus
dem üblichen
chemischen Rauschuntergrund oder von Analytionen stammen.
-
Es
ist dazu nicht unbedingt erforderlich, dass das Massenspektrum überhaupt
keine Signale von Ionenansammlungen mehr enthält. Die Einzelionensignale
lassen sich recht gut durch ihre Signalbreite erkennen und auslesen.
-
Das
Massenspektrum wird in gewöhnlicher Weise
aufgenommen, durch SEV und elektronischem Verstärker verstärkt, digitalisiert und in digitalisiertem
Zustand abgespeichert. In diesem digitalisierten Massenspektrum
lassen sich die Einzelionensignale mit Hilfe eines geeigneten Computerprogramms
gut durch ihre Peakbreiten erkennen und auf ihre Peakhöhen untersuchen.
-
Es
kann günstig
sein, das Massenspektrometer so zu betreiben, dass Einzelionensignale
so klein sind, dass zumindest die statistisch kleinen Signale nach
der Digitalisierung gar nicht mehr sichtbar sind. Sind in dieser
Weise die Peakhöhen
für eine
Bestimmung der mittleren Peakhöhen
zu klein, zählen sie
beispielsweise nur einige wenige Counts des Digitalwandlers, so
lassen sie sich durch eine Spannungserhöhung am SEV mit bekanntem Erhöhungsfaktor
für die
Verstärkung
für eine
erneute Spektrenaufnahme in eine gut auswertbare Höhe bringen.
Es wird also hier die bekannte Kennlinie der Verstärkung in
Abhängigkeit
von der SEV-Spannung ein erstes Mal verwendet.
-
Wird
beispielsweise ein Digitalwandler mit einer Breite von acht bit
benutzt, so ist es günstig, wenn
sich die Einzelionenpeakhöhen
von etwa 10 bis 50 Counts oder besser sogar von 20 bis 100 Counts erstrecken,
wobei jedoch darauf zu achten ist, dass Signale von Ionenansammlungen
den SEV und seine Verstärkungselektronik
nicht hoffnungslos in die Sättigung
treiben, da eine solche Übersättigung
die Verstärkung
des SEV kurzfristig, wenn auch meist vorübergehend zu ändern vermag.
-
Es
wird sodann durch eine Auswertung einer genügenden Anzahl von Einzelionenpeaks
in diesem Einzelionenspektrums der Mittelwert der Höhen der Einzelionenpeaks
bestimmt und mit ihrem Sollwert verglichen. Sodann wird, gegebenenfalls
unter nochmaliger Benutzung der Kennlinie, die SEV-Verstärkung auf
einen gewünschten
Wert für
den Mittelwert der Höhen
der Einzelionenpeaks eingestellt. Dieser Mittelwert der Höhen kann
beispielsweise bei fünf Counts
des Analog-zu-Digitalwandlers (ADC) liegen, oder auch bei nur einem
halben Count, so dass schwache Einzelionenpeaks mit dieser Einstellung nach
ihrer Digitalisierung gar nicht erkannt werden könnten, trotzdem aber ein gutes
Massenspektrum gemessen werden kann, da häufig nur Ionenpeaks interessieren,
bei denen mindestens zehn Ionen gemeinsam auftreten. Die gewünschte Einstellung
für den
Mittelwert der Peakhöhen
der Einzelionenpeaks muss sich also nach der gewünschten Messdynamik und der
Bitbreite des ADC richten.
-
Der
Mittelwert kann dabei ein linearer, ein logarithmischer oder ein
anders definierter Mittelwert sein. Die Definition des Mittelwerts
soll hier für
die Erfindung keine Rolle spielen, sie kann nach Bedarf gewählt werden.
-
Erst
wenn die Verstärkung
des Sekundärelektronenvervielfachers
präzise
auf ihren Sollwert eingeregelt ist, können andere Einstellverfahren
des Massenspektrometers, wie beispielsweise die Einstellung der
Laserenergie für
MALDI oder die Befüllung
einer Ionenfalle, richtig ausgeführt
werden.
-
Das
Verfahren wird begünstigt
durch die Kenntnis der Kennlinie der SEV, das ist die Funktion des
Logarithmus der Verstärkung
in Abhängigkeit von
der Betriebsspannung des SEV. Diese Kennlinie wird im Allgemeinen
im Herstellerwerk gemessen. Sie unterliegt natürlich ebenfalls der Alterung,
wobei sich aber die Steigung der so definierten Kennlinie nur wenig ändert. Die
Steigung der Kennlinie kann aber ebenfalls durch Verwendung der
mittleren Höhen
der Einzelionenpeaks nachgeprüft
und korrigiert werden.
-
Um
in einem HF-Ionenfallenmassenspektrometer ein Massenspektrum zu
erzeugen, das überwiegend
aus Einzelionensignalen besteht, kann man mehrere Verfahren wählen, die
im Prinzip dem Fachmann bekannt sind. Am einfachsten ist es, die
Hochfrequenzspannung der Ionenfalle völlig oder weitgehend abzuschalten,
so dass die eingeschossenen Ionen die Ionenfalle durchfliegen können, und
die Ionenerzeugung der Ionenquelle so weit zu erniedrigen, dass
nur ein schwacher Strom von Ionen durch die Ionenfalle fliegt. Es
wird dann einfach für
eine gewisse Zeit die Aufnahme für
ein Massenspektrum durchgeführt,
was allerdings nicht ein nach Massen aufgelösten Spektrum, sondern eben
ein Einzelionenspektrum mit Ionen statistisch verteilter Massen ergibt.
Die Massen der Ionen hängen
vom Gemisch von Substanzen ab, die in der Ionenquelle ionisiert werden.
-
Es
kann die Ionenfalle aber auch normal mit Ionen befüllt werden,
und eine gewählte
Ionensorte durch vorsichtige resonante Anregung ihrer Ionen zu Sekularschwingungen über eine
längere
Zeitdauer von einigen Hundert Mikrosekunden verschmiert ausgeworfen
werden. Dabei wird bevorzugt ein niedrige Speicherhochfrequenzspannung
gewählt,
um Fragmentierungen der Ionen zu vermeiden. Diese zweite Art der
Aufnahme von Massenspektren mit Einzelionenpeaks erlaubt es, die
Verstärkung
des Sekundärelektronenvervielfachers
auf eine ausgewählte
Ionensorte abzustimmen. Die Verstärkung eines jeden Sekundärelektronenvervielfachers
hängt in
geringen Maße
von der Art und von der Energie der Ionen ab, die nachgewiesen werden.
Die kinetische Energie der Ionen ist in Ionenfallenmassenspektrometern
durch die Konstruktion der Ionenfalle und die Spannungsversorgung
im Detektorbereich festgelegt. Es ist anzumerken, dass in vielen
Typen von Ionenfallenmassenspektrometern die Ionen nicht direkt
auf den Sekundärelektronenvervielfacher
aufgeschossen werden, sondern zunächst eine Konversionsdynode
treffen, die die aufschlagenden Ionen in Sekundärelektronen konvertiert. Diese
Sekundärelektronen
werden dann zum Sekundärelektronenvervielfacher
beschleunigt. Letzterer ist meist als Channeltron-Multiplier ausgelegt.
Dieser zweistufige Betrieb ist günstig
für einen
Nachweis von sowohl positiven wie auch negativen Ionen, ändert aber
nichts an der Notwendigkeit zur gelegentlichen Einjustierung der
Verstärkung.
-
Das
Aufnahmeverfahren für
Massenspektrum mit Einzelionenpeaks in einem MALDI-Flugzeitmassenspektrometer
ist noch einfacher. Hie kann man die Spannung über die erste Bescheunigungstrecke
in der Ionenquelle sehr klein machen, wodurch die Massenauflösung im
Spektrometer drastisch abnimmt. Mit einzelnen Laserschüssen kann
man dann jeweils Einzelionenspektren erhalten, wobei die Dichte
der Ionenpeaks im Spektrum durch die Energie im Laserschuss nach Wunsch
verändert
werden kann. Durch die Erhöhung
der Versorgungsspannung am Sekundärelektronenvervielfacher kann
man die Peakhöhen
so einstellen, dass man einerseits keine niedrigen Peaks übersieht,
und andererseits keine Peaks in die Sättigung des Analog-zu-Digital-Wandlers
treibt. In diesem Fall haben die einzelnen Ionen Massen, die in
etwa ihrer Position im Massenspektrum entsprechen. Daher kann man
auch hier, gegebenenfalls durch die Aufnahme vieler einzelner Massenspektren,
eine Justierung der Verstärkung
mit Ionen einer bestimmten Masse erreichen.