-
Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Messung der Mobilität
nach Masse ausgewählter Ionensorten mit hoher Ionenausnutzung
in Ionenmobilitätsspektrometern (IMS), die mit Massenspektrometern
(MS) gekoppelt sind.
-
Die
Erfindung besteht darin, den Ionenstrom aus einer geeigneten Ionenquelle
mit einer stetigen Modulierungsfunktion, deren Momentanfrequenz über
einen großen Frequenzbereich zeitlich variiert, analog
zu modulieren, den modulierten Ionenstrom durch eine Mobilitätsdriftstrecke
kontinuierlich dem Massenspektrometer zuzuführen, mit dem
Massenspektrometer das zeitlich variierende Ionenstromprofil mindestens
einer Ionensorte zu messen, und das Mobilitätsspektrum
einer Ionensorte aus ihrem Ionenstromprofil durch eine Analyse der
Korrelation mit der Modulierungsfunktion zu erzeugen.
-
Stand der Technik
-
Ionenmobilitätsspektrometer,
auch solche in Verbindung mit Massenspektrometern, werden normalerweise
mit Injektionen sehr kurzer Ionenstrompulse betrieben. Die Ionen
werden in einer Ionenquelle kontinuierlich erzeugt und dann von
einem Schaltgitter während einer kleinen Zeitspanne in
die Driftstrecke des Spektrometers eingelassen. Die Zeitspannen
für den Durchlass betragen für gewöhnlich
100 bis 300 Mikrosekunden, die Aufnahme des Spektrums erstreckt
sich über etwa 30 Millisekunden. Damit werden nur etwa
maximal ein Prozent der in der Ionenquelle erzeugten Ionen ausgenutzt.
Der geringe Nutzungsgrad für die Ionen führt zu
relativ schlechten Verhältnissen von Signal zu Rauschen
in den gewonnenen Mobilitätsspektren, so dass immer wieder
Versuche unternommen wurden, diesen Nutzungsgrad zu erhöhen.
Eine Erhöhung der Ionenausnutzung von einem Prozent auf
etwa 50 Prozent würde das Verhältnis von Signal
zu Rauschen und damit auch die Empfindlichkeit des Verfahrens theoretisch um
einen Faktor sieben erhöhen.
-
Als
Schaltgitter für die Erzeugung der kurzen Ionenstrompulse
werden in der Regel bipolare Gitter verwendet. Die durch das Gitter
durchgelassenen Ionen werden dann in einer Driftstrecke von einem
axial ausgerichteten elektrischen Feld durch ein Stoßgas
gezogen, wobei ihre Driftgeschwindigkeit durch ihre „Mobilität” bestimmt
wird, die wiederum in bekannter Weise von ihrer Ladung, ihrer Masse,
ihrem Stoßquerschnitt, ihrer Polarisierbarkeit und ihrer
Neigung zur Bildung von Komplex-Ionen mit Molekülen aus
dem Stoßgas abhängt.
-
Unter
einer „Ionensorte” sollen hier Ionen einer Substanz
in einem gegebenen Ladungszustand verstanden werden. Die Ionensorte
umfasst im hier verwendeten Sprachgebrauch neben den monoisotopischen
Ionen auch die Ionen der Isotopensatteliten, nicht aber Ionen der
gleichen Substanz in anderen Ladungszuständen. Die Ionensorte
kann aus Molekülionen oder Pseudomolekülionen,
aus Dimerionen oder Multimerionen, aber auch aus Fragmentionen beliebiger
Art bestehen. Auch Ionenkomplexe beliebiger Bindungsart mit Molekülen
oder Teilmolekülen anderer Substanzen sollen eingeschlossen sein.
Pseudomolekülionen sind protonierte oder deprotonierte
Moleküle, die wegen der Masse der Protons eine vom Molekül
abweichende Masse besitzen.
-
Alle
Ionen gleicher Ladung unterliegen der gleichen Zugkraft durch das
elektrische Feld, die sich aber für Ionen verschiedener
Mobilität, also verschiedener Stoßquerschnitte
und verschiedener Masse in unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten
durch das Stoßgas manifestiert. Für leichtere
Ionen in der Größenordnung der Masse des Stoßgases
bestimmt neben dem Stoßquerschnitt hauptsächlich
die „reduzierte Masse” der Ionen ihre Mobilität;
für schwerere Ionen ab einigen Hundert oder Tausend atomaren Masseneinheiten
ist die spezielle Form der Moleküle ausschlaggebend und
der Stoßquerschnitt übernimmt den wesentlichen
Anteil an der Mobilität, wobei dieser großenteils
vom Faltungszustand des Ions, aber auch von der Anzahl der Atome
im Molekül und damit wieder implizit von der Masse abhängt, wobei
die implizite Abhängigkeit in etwa proportional zum Quadrat
aus der dritten Wurzel der Masse ist. Die nur wenig verschiedenen
Mobilitäten von Ionen gleicher Ladung, aber verschiedener
Isotopenzusammensetzung können in heutigen Mobilitätsspektrometern
nicht getrennt werden.
-
Aus
den Molekülen einer Substanz werden in der Ionenquelle
in der Regel mehrere Ionensorten gebildet, die sich vielfach nur
durch ihre Ladung unterscheiden, aber auch Ionen von Dimeren oder Komplexe
mit Wasser und Stoßgas darstellen können. Jede
Ionensorte besitzt eine für sie charakteristische Mobilität.
Am Ende der Driftstrecke wird der ankommende Ionenstrom meist an
einem Ionendetektor gemessen, digitalisiert und in meist Form einer digitalisierten
Messwertreihe als „Mobilitätsspektrum” gespeichert.
Eine Auswertung dieses Mobilitätsspektrums gibt Auskunft über
die Mobilitäten der beteiligten Ionen und damit – in
reinen Mobilitätsspektrometern – Hinweise auf
beteiligte Substanzen.
-
Der
Schaltprozess des bipolaren Gitters dient als Startpuls für
die Messung der Driftgeschwindigkeit der verschiedenen Ionenpulks.
Durch die Diffusion der Ionen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung wird
während der Drift für jeden Ionenpulk mit Ionen gleicher
Mobilität ein Diffusionsprofil erzeugt. In genügend
langen Driftstrecken ergeben sich dadurch in sehr guten Näherungen
die bekannten Glockenkurven der Gauß-Verteilungen für
die Ionensignale. Die Driftgeschwindigkeit wird aus der gemessenen
Driftzeit im Zentrum der Glockenkurve und der bekannten Länge
der Driftstrecke im Driftrohr des Spektrometers bestimmt.
-
In
der Regel wird die Breite der Glockenkurve der Ionensignale ganz überwiegend
von der Diffusion bestimmt. In diesem Fall ergibt sich eine diffusionsbestimmte
Mobilitätsauflösung Rd,
die über das Mobilitätsspektrum hinweg praktisch
konstant und proportional zur Wurzel aus Ionenladung, Stärke
des elektrischen Ziehfeldes und Länge der Driftstrecke ist.
Ein mäßig gutes Mobilitätsspektrometer
hat für einfach geladene Ionen etwa eine Mobilitätsauflösung
von Rd = 20, mit ihm können zwei
Ionensorten, deren Mobilität sich um zehn Prozent unterscheiden, gerade
noch gut aufgelöst werden, da sich ihre Signale um zwei
volle Halbwertsbreiten unterscheiden. Gute Mobilitätsspektrometer
haben Mobilitätsauflösungen von Rd =
50 bis 80, mit ihnen lassen sich Ionen mit Mobilitätsunterschieden
von nur vier Prozent und weniger trennen. Die heutzutage besten
Mobilitätsspektrometer haben Mobilitätsauflösungen
von Rd = 150, das reicht für eine
Trennung zweier Ionensorten, deren Mobilitäten sich nur
etwas mehr als ein Prozent unterscheiden.
-
Im
Folgenden werde zunächst auf die bessere Ionenausnutzung
in reinen Ionenmobilitätsspektrometern eingegangen. Diese
sind häufig miniaturisiert, mit Driftstrecken von maximal
zehn Zentimetern, werden an Atmosphärendruck betrieben
und dienen meist der Messung von Schadstoffen in Umgebungsluft.
Die Schadstoffsubstanzen, im Folgenden allgemeiner „Analytsubstanzen” genannt,
werden dabei in der Regel in eingesaugter Umgebungsluft bei Atmosphärendruck
ionisiert, und zwar durch sogenannte „chemische Ionisierung
bei Atmosphärendruck” (APCI) in Reaktionen mit
Reaktantionen durch Protonierung oder Deprotonierung, wobei neben
monomeren Pseudomolekülionen auch dimere Ionen und Komplexe
mit Wasser- und Stoßgasmolekülen gebildet werden.
Die Verhältnisse der einzelnen Ionensorten zueinander hängen
von der Konzentration der Analytmoleküle im Stoßgas
ab.
-
Als
Stoßgas wird meist Stickstoff oder Luft verwendet, wobei
sich im Stoßgas gleichmäßig verteilt
(und meist in ihrer Konzentration sorgfältig gesteuerte)
Spuren von Wasserdampf befinden. Die Erzeugung der Reaktantionen
findet meist durch Betastrahler, beispielsweise 63Ni,
statt. Aber auch Corona-Entladungen und andere Elektronenstrahl-Generatoren
wie auch UV-Lampen werden für diesen Zweck benutzt. Die
Reaktantionen werden in einer Reaktionskette gebildet, die von der
Bildung von primären Stickstoff-Ionen ausgeht und bei einer
Reihe verschiedenartiger Wasserkomplex-Ionen endet. Diese Wasserkomplex-Ionen
bewirken die eigentliche chemische Ionisierung der Analytmoleküle.
-
Während
ihrer Drift durch das Stoßgas der Driftstrecke bei Atmosphärendruck
erleben die Ionen dauernd sehr schnell wechselnde neue Anlagerungen
und Verluste von Wassermolekülen H2O
und Stickstoffmolekülen N2. Im
statistischen Mittel enthält also ein Analytion, sei es
ein Monomer oder ein Dimer, a × H2O
und b × N2, wobei a und b in der
Regel durchschnittliche, nicht ganzzahlige Anteile sind. Da die Änderungen
sehr schnell erfolgen, tritt dadurch kaum eine Verbreiterung des
Peaks im Mobilitätsspektrum ein. Überführt
man die Ionen eines solchen Peaks aus dem Atmosphärendruck
in ein angeschlossenes Massenspektrometer, so friert man einen momentanen
Zustand wie in einem Blitzlichtphoto ein und erhält ein
Massenspektrum, das die Ionen mit verschiedenen Anlagerungszuständen
und daher sehr verschiedenen Massen nebeneinander enthält.
-
Es
folgt nun die Beschreibung von Versuchen, den Nutzungsgrad der Ionen
zu erhöhen. F. J. Knorr et al. (Anal. Chem. 1985, 57, 402;
US 4,633,083 A )
haben ein Verfahren beschrieben, das mit einem axialen Ionenstrahl
arbeitet, der durch zwei Sperrgitter moduliert wird. Als Modulationsfunktion wird
eine Rechteckfunktion verwendet, also ein abwechselndes völliges
Schließen und völliges Öffnen des Gitters.
Das erste Sperrgitter ist direkt hinter der Ionenquelle angeordnet,
das zweite direkt vor dem Ionendetektor. Durch eine synchrone Modulation
der beiden Gitter wird ein Interferenzwert des Ionenstrahls erzeugt,
wobei einige Ionensorten passieren können, während
andere durch die Interferenz ihrer Driftzeit mit den Phasen der
Gitterspannungen zurückgehalten werden. Wird die Modulationsfrequenz verändert,
so kann ein Interferenzspektrum („Interferogramm”)
aufgenommen werden, das mit Hilfe einer Fourier-Transformation aus
der Frequenzdomäne des Interferogramms in die Zeitdomäne
und somit in Mobilitätsspektrum transformiert werden kann.
Das Verfahren, das von den Autoren als „Fourier Transform
Ion Mobility Spectrometry” bezeichnet wurde, bietet wegen
der jeweiligen Halbierung der Ionenmengen an den beiden Gittern
einen theoretischen Nutzungsgrad der Ionen von 25 Prozent. Die Erwartungen
an dieses Verfahren wurden allerdings in bezug auf die Erhöhung
des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses enttäuscht,
das Verfahren hat sich bisher nicht durchgesetzt. Um mit diesem
Verfahren zu sauberen Interferogrammen zu kommen, darf sich während
der Driftzeit der Ionen vom ersten Schaltgitter zum zweiten Schaltgitter
bzw. zum Detektor die Modulationsfrequenz praktisch nichts ändern.
Das zwingt zu einer langsamen Änderung der Modulationsfrequenz.
-
In
der Patentschrift J. Franzen (
US 5,719,392 ,
1995) wird der Ionenstrom eines Ionenmobilitätsspektrometers
durch das Schaltgitter mit einem rechteckigen zeitlichen Hadamard-Muster
moduliert, bei dem sowohl die Pulsbreiten der durchgelassenen Ionenpakete
wie auch deren Abstände statistisch verteilt sind. Die
Ionenausnutzung steigt dadurch auf 50 Prozent. Die Auswertung zur
Erlangung des Mobilitätsspektrums kann sowohl über
eine Kreuzkorrelation des Detektorstromes mit dem eingeprägten
Muster, wie auch über Fourier- oder Hadamard-Transformationen
vorgenommen werden. Die Benutzung der Fourier-Transformation erlaubt
es sogar, durch eine teilweise Entfaltung mit der Gerätefunktion
eine Verbesserung der Mobilitätsauflösung zu erreichen.
Es hat sich aber gezeigt, dass dieses Auswertungsverfahren unter
Benutzung der Fourier-Transformation bei verrauschtem Detektorsignal nicht
stabil arbeitet. Das Verfahren ist bisher nicht zur Anwendung gekommen.
-
In
einer neuesten Patentanmeldung U. Renner (
DE 10 2008 015 001.0 ) wird der
Ionenstrom aus der Ionenquelle durch eine stetige Modulierungsfunktion
mit einer Momentanfrequenz, die in einem weiten Frequenzbereich
variiert, analog moduliert und das entstehende Ionenstromsignal
am Detektor durch eine Korrelationsanalyse mit der Modulationsfunktion wieder
decodiert. Dadurch entsteht ein außerordentlich rauschfreies
Mobilitätsspektrum sehr guter Mobilitätsauflösung.
Das Mobilitätsspektrum hat eine bisher kaum erreichte Qualität.
Die Ionenausnutzung beträgt 50 Prozent. Die Modulierung
kann mit den normalen Schaltgittern vorgenommen werden, die in diesen
Spektrometern vorhanden sind. Die Modulierungsfunktion kann bevorzugt
ein linearer oder nichtlinearer Chirp sein. Auch wenn die Verbesserung
des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses nicht ganz den theoretischen
Erwartungen entspricht, überragen die Qualität
der Ergebnisse und die Stabilität des Verfahrens alle anderen
Versuche zu einer Mobilitätsspektrometrie mit hoher Ionennutzung.
-
Die
vorgenannten Mobilitätsspektrometer arbeiten alle an Atmosphärendruck.
Für Kopplungen mit Massenspektrometern hat sich praktisch
durchgehend ein anderer Druckbereich für die Mobilitätsdriftstrecke
durchgesetzt. Hier wird in einem Druckbereich von etwa 500 Pascal
gearbeitet, wobei die Driftstrecke auf 40 Zentimeter bis zu zwei
Meter und mehr verlängert und die elektrische Feldstärke
auf 2000 Volt pro Meter und mehr erhöht wird. In diesem Druckbereich
scheint es kaum Komplexierungen der driftenden Ionen mit anderen
Substanzen zu geben, so dass die Mobilitäten der Ionensorten
ohne Störungen gemessen werden. In den langen Driftstrecken diffundieren
die Ionen aber auch in radialer Richtung über weite Strecken
auseinander, so dass für diese Driftstrecken recht große
Durchmesser gewählt werden müssen. Es gibt eine
reichhaltige Patentliteratur für diese Anwendungen, die
jedoch alle in klassischer Weise mit kurzen, einzelnen Ionenpulsen
arbeiten, die in die Driftstrecke eingeführt werden. Auch
hier beträgt der Nutzgrad für die in der Ionenquelle
erzeugten Ionen nur etwa 0,5 bis 1 Prozent. Es werden hier zumeist
Elektrosprüh-Ionenquellen (ESI) eingesetzt. Die Untersuchungen
der Mobilität richten sich zumeist auf Peptide, Proteine
oder andere Biopolymere mit dem Ziel, Faltungsstrukturen dieser
Biopolymere zu bestimmen und das Nebeneinander verschiedener Faltungsstrukturen
ansonsten gleicher Ionen einer Ionensorte festzustellen.
-
Für
diese Niederdruckverfahren mit Kopplungen an die Massenspektrometrie
sei hier nur das Patent A. V. Loboda,
US 6,744,043 B2 (2004) erwähnt,
weil es eine interessante axiale Fokussierung der driftenden Ionen
in der Driftstrecke bietet, die allerdings in Grundzügen
bereits in der Patentschrift Thomson et al.
US 5,847,386 (1998) dargelegt und beansprucht
wird. In der Patentschrift Loboda wird für die Driftstrecke
ein Hochfrequenz-Ionenleitsystem mit radialer Stoßfokussierung
vorgeschlagen, wobei das Ionenleitsystem als Hochfrequenz-Multipol-Stabsystem,
aber auch als Ringsystem ausgeführt sein kann.
-
Es
wird nun erstmals in der Veröffentlichung von Mikhail
E. Belov et al., Analytical Chemistry, Vol. 79, No. 6, March 15,
2007, 2451 („Multiplexed Ion Mobility Spectrometry-Orthogonal-Time-of-Flight Mass
Spectrometry") eine Arbeit vorgestellt, in der ein
Niederdruck-Ionenmobilitätsspektrometer mit hoher Ionennutzung
in Kopplung mit einem Massenspektrometer betrieben wird. Dabei werden
in die Ionenmobilitätsdriftstrecke Ionenpulse stets gleicher Dauer
eingepulst, die aber in quasistochastischen, zur Pulsdauer relativ
langen Zeitabständen wiederholt werden. Die Zeitabstände
wurden nach Simulationsversuchen so gewählt, dass sie mindestens
die zehnfache Pulsdauer betrugen und bis zum siebzigfachen der Pulsdauer
hinaufreichten. Da die Pulsdauer gegenüber den Zeitabständen
der Pulse relativ kurz ist, kann auf diese Weise allein keine hohe
Ionennutzung erreicht werden; diese konnte aber dadurch hergestellt
werden, dass die Ionen vor dem Einpulsen in die Mobilitätsdriftstrecke
in einem Ionenspeicher gesammelt und durch besondere Maßnahmen
möglichst verlustfrei eingepulst wurden. Durch die zeitlich
veränderlichen Sammelzeiten ergaben sich dabei – für
einen primären Ionenstrahl mit konstantem Ionenstrom – stets
wechselnde Anzahlen von Ionen in den einzelnen Pulsen, die mit einer
Kalibrierkurve erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt
werden mussten. Das macht diese an sich sehr interessante Arbeit
kompliziert und führt insbesondere dazu, dass die Messdynamik
des TOF-MS nicht voll ausgenutzt werden kann, weil in Pulsen mit zu
hoher Ionendichte stets die Gefahr einer Übersättigung
des TOF-Ionendetektors gegeben ist. Insgesamt wurde in der Arbeit
eine Ionenausnutzung von etwa 50 Prozent angegeben, die allerdings
prinzipiell bis über 90 Prozent erhöht werden
kann. Die Überhöhung der Ionenströme
in den Ionenpulsen betrug theoretisch bis zum 70-fachen, gemessen
bis zum 50-fachen des Ionenstroms aus der Ionenquelle. Heutige kommerzielle
Massenspektrometer sind mit ihrem dynamischen Messbereich an die
maximal erreichbaren Ionenströme der verwendeten Ionenquellen angepasst.
Auch wenn diese Ionenströme nur bei optimaler Substanzzufuhr
erreicht werden, etwa in den maximalen Substanzschüben
aus Flüssigkeitschromatographen, so sind Überhöhungen
des Ionenstromes nachteilig, weil sie zu einer Übersättigung
des Ionendetektors führen können.
-
Da
in Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF)
in einem einzigen Massenspektrum, das in etwa 100 Mikrosekunden
aufgenommen wird, je nach Substanzzufuhr zur Ionenquelle häufig
nur wenige Zehn oder Hundert Ionen erfasst werden, ist das Rauschen
in diesen Einzelspektren außerordentlich hoch. Solche Einzelmassenspektren
sind praktisch nicht für sich auswertbar. Nur in seltenen
Fällen werden bei maximaler Substanzzufuhr an die Tausend
Ionen in einem Einzelmassenspektrum erfasst, wobei hier die Sättigungsgrenze
des Ionendetektors erreicht wird. Da im Normalbetrieb eines solchen
OTOFs viele Tausend Ionen für ein gut auswertbares Massenspektrum
gebraucht werden, werden regelmäßig mindestens etwa
200, meist durchaus 500 bis 1000 Massenspektren zu einem aus wertbaren
Summenmassenspektrum aufsummiert. Um in der Arbeit von Belov
et al. die Zeitauflösung von etwa zehn Kilohertz
für die Messung der Einzelmassenspektren für die
Bestimmung der Mobilität beizubehalten, wurde die Ionenmobilitätstrennung
insgesamt 1000-mal wiederholt, wobei dabei die korrespondierenden
Einzelmassenspektren aus den wiederholten Messungen miteinander
summiert wurden. Da jede Ionenmobilitätstrennung etwa 127
Millisekunden dauerte, wurde eine Gesamtzeit von 127 Sekunden verbraucht.
-
In
Massenspektrometern kann immer nur das Verhältnis aus der
Ionenmasse zur Ladung des Ions bestimmt werden. Wenn im Folgenden
von der „Masse eines Ions” oder der „Ionenmasse” gesprochen
wird, so ist immer das Verhältnis von Masse m zur Anzahl
z der Elementarladungen des Ions gemeint, also die elementarladungs-bezogene
Masse m/z. Die Güte eines Massenspektrometers wird neben
anderen Kriterien im Wesentlichen durch die Massenauflösung
bestimmt. Die Massenauflösung ist definiert als R = m/dm,
wobei R das Auflösungsvermögen, m die Masse eines
Ions, gemessen in Einheiten der Massenskala, und dm die Breite des
Massensignals in halber Höhe ist, gemessen in den gleichen
Einheiten.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Es
soll ein Messverfahren für eine Kopplung aus Ionenmobilitätsspektrometer
und Massenspektrometer bereitgestellt werden, das mit hoher Ionenausnutzung
von etwa 50 Prozent stabil arbeitet und den dynamischen Messbereich
des Massenspektrometers ohne Gefahr der Übersättigung,
also ohne Überhöhung des Ionenstromes aus der
Ionenquelle, optimal ausnutzt.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Es
ist der Grundgedanke der Erfindung, den Ionenstrom aus der Ionenquelle
mit einer stetigen Modulierungsfunktion endlicher Modulierungsperiode
mit einer Momentanfrequenz, die in einem weiten Frequenzbereich
variiert, analog zu modulieren, den Ionenstrom durch eine Mobilitätsdriftstrecke
einem Massenspektrometer zuzuführen, mit dem Massenspektrometer
das zeitlich variierende Ionenstromprofil mindestens einer Ionensorte
zu messen, und aus dem zeitlichen Ionenstromprofil durch eine Korrelation
mit der Modulationsfunktion das Mobilitätsspektrum dieser
Ionensorte zu gewinnen. Bei symmetrischer Modulierung im Bereich
von null bis hundert Prozent des Ionenstroms ergibt sich eine Ionennutzung
von etwa 50 Prozent, ohne dabei, wie in der Arbeit von Belov
et al., zu Überhöhungen des von der Ionenquelle
gelieferten Ionenstroms zu führen.
-
Als
Massenspektrometer kann dabei ein einkanaliges Massenfilter dienen,
beispielsweise ein Quadrupolmassenfilter, mit dem sich direkt das
zeitliche Ionenstromprofil einer ausgewählten Ionensorte messen
lässt. Kann das Massenfilter zyklisch auf den Durchlass
verschiedener Ionensorten umgeschaltet werden, so können
hiermit zeitlich intermittierend auch die Ionenstromprofile mehrerer
Ionensorten gemessen werden, wobei allerdings nicht mehr die maximal
erreichbare Mobilitätsauflösung erreicht wird. Es
hat sich für die Qualität des Mobilitätsspektrums als
günstig erwiesen, in Massenfiltern das Ionenstromprofil
vielfach, beispielsweise zehn- bis hundertfach zu messen, die digitalisierten
Ionenstromprofile zu einem Summenionenstromprofil zu addieren und
das Mobilitätsspektrum aus dem Summenionenstromprofil zu
bestimmen.
-
Das
Massenspektrometer kann aber auch durch eine hohe Akquisitionsrate
für Einzelmassenspektren, die mindestens bei etwa einem
Kilohertz liegen soll, eine ganze Messserie mit Einzelmassenspektren
aufnehmen, aus der dann die Ionenstromprofile für größere
Anzahlen von Ionensorten anhand ihrer Massen in einfacher Weise
herausgesucht und zusammengestellt werden können. Für
diese Aufgabe kann beispielsweise ein Flugzeitmassenspektrometer
mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF) verwendet werden. Diese können
heutzutage mit Spektrenaufnahmeraten von zehn Kilohertz betrieben werden.
-
Da
die Einzelmassenspektren in der Regel aber nur wenige Ionen erfassen
und nur in Ausnahmefällen für sich auswertbar
sind, können die Messserien unter Verwendung identischer
Modulationsperioden wiederholt und korrespondierende Einzelmassenspektren
aus den einzelnen Messserien zu Summenmassenspektren addiert werden.
Die Ionenstromprofile der Ionensorten werden dann aus der Serie
von Summenmassenspektren herausgesucht. Es ergibt sich so die gleiche
Anzahl von Summenmassenspektren, wie sie der Anzahl von Einzelmassenspektren
in einer Modulationsperiode entspricht, wodurch eine hohe Mobilitätsauflösung
erhalten bleibt.
-
Es
können aber auch, unter Verzicht auf Mobilitätsauflösung,
jeweils eine Serie aus genügend vielen konsekutiv aufgenommener
Einzelspektren addiert werden, wodurch sich die gesamte Messzeit verkürzt.
Auch ein Mischbetrieb mit Addition jeweils einiger konsekutiver
Einzelmassenspektren zu Teilsummenmassenspektren und der Addition
korrespondierender Teilsummenmassenspektren aus Wiederholungsmessungen
der Messserien zu Summenmassenspektren ist möglich.
-
Für
die Auswertung werden aus der Folge der Einzel- oder Summenmassenspektren
die Ionenstromprofile ausgewählter Ionensorten anhand ihrer Massen
herausgesucht und zu einer Wertereihe der Intensitäten
zusammengestellt. Es können dabei die maximalen Intensitätswerte
der Ionenstromsignale im Massenspektrum verwendet werden, es ist
aber auch möglich, den Ionenstrom über die Breite
eines Ionenstromsignals zu integrieren. Es können insbesondere
die Ionenströme ihrer Isotopensatelliten mit eingeschlossen
werden. Da die Ionenstromsignale aller Ionensorten wegen des stetigen,
wenn auch modulierten Ionenstroms stets in allen Massenspektren vorkommen
müssen (außer wenn sie durch die Modulation momentan
auf null gebracht wurden), gibt es jeweils, abgesehen von Rauscheinflüssen,
geschlossene und stetige Ionenstromprofile. Aus dem Ionenstromprofil
einer Ionensorte wird dann durch eine einfache Korrelationsanalyse
mit der Modulierungsfunktion ein Mobilitätsspektrum für
diese Ionensorte erstellt. Aus dem Mobilitätsspektrum kann
der Mobilitätswert dieser Ionensorte bestimmt werden. Kommen
Ionensorten mit verschiedenen Faltungszuständen vor und
sind diese nach Mobilitäten aufgelöst, so erscheinen
im Mobilitätsspektrum mehrere Mobilitätssignale.
-
Die
Modulierungsfunktion kann bevorzugt ein linearer oder nichtlinearer
Chirp sein. Die Modulierungsperiode kann etwa vorzugsweise 100 bis 1000
Millisekunden lang sein, in der dann bei zehn Kilohertz Spektrenaufnahmerate
jeweils 1000 bis 10000 Massenspektren gemessen werden. Ein Chirp kann
in diesem Fall den Frequenzbereich von null bis maximal fünf
Kilohertz, vorzugsweise bis etwa drei Kilohertz, durchlaufen.
-
Es
sei betont, dass dieses Verfahren zu keiner Zeit eine Separation
von Ionen aufgrund ihrer Mobilität beinhaltet. Es fließt
immer ein modulierter, unseparierter Strom von Ionen jeder Mobilität
durch die Driftstrecke, wobei sich die modulierten Ionenströme
der Ionen verschiedener Mobilitäten mit ihren unterschiedlicben
Driftgeschwindigkeiten aneinander vorbei schieben. Erst durch die
Demodulierung werden Driftgeschwindigkeiten und Mobilitäten
bestimmt.
-
Es
kann das Schaltgitter eines kommerziellen Ionenmobilitätsspektrometers
für eine solche analoge Modulierung verwendet werden; es
bietet dabei sogar weniger Schwierigkeiten als für den
Betrieb mit schnellem Ein- und Ausschalten, der für eine rechteckförmige
Modulation gebraucht wird.
-
Beschreibung der Bilder
-
1 gibt
das Schema eines Mobilitätsspektrometers wieder, das am
Ende der Driftstrecke (59) mit einem einkanaligen Massenfilter
(63) gekoppelt ist. Die in der Elektrosprüh-Ionenquelle
(50, 51) erzeugten Ionen werden über
die Einlasskapillare (52) einem Doppeltrichter (53, 54)
zugeführt, der sie über das Modulations-Schaltgitter
(55) einem ersten Massenfilter (56) zuführt.
Dieses zusätzliche, nicht unbedingt notwendige Massenfilter
(56) dient zur Vorauswahl einer Ionensorte, damit nicht
aus anderen Ionensorten durch Reaktionen oder metastabile Zerfälle
eine Ionensorte entsteht, die die gleiche Masse wie die untersuchten
Ionen besitzt und bei der mäßigen Massenauflösung
im Massenfilter (63) nicht unterschieden werden kann. Die
ausgewählte Ionensorte wird über Ionenlinsen und
Druckanpassungsstufen (57, 58) in die Driftstrecke
(59) und von dort aus, wieder über Ionenlinsen
und Druckanpassungsstufen (60, 61, 62)
dem angekoppelten Massenfilter (63) mit Ionendetektor (65)
zugeführt. Im Ionendetektor (65) wird das Ionenstromprofil
der ausgewählten Ionensorte gemessen, und aus dem Ionenstromprofil wird
durch Korrelationsanalyse das Mobilitätsspektrum erstellt.
-
2 zeigt
ein Schema eines Ionenmobilitätsspektrometers, das mit
einem hochauflösenden Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem
Ioneneinschuss gekoppelt ist. Die Analytionen aus der Elektrospruh-Ionenquelle
(21, 22) werden durch eine Eintrittskapillare
(23) in das Vakuumsystems des Mobilitätsspektrometers
transportiert, dort durch einen Ionentrichter (24) eingefangen
und über das Modulations-Schaltgitter (25) in
die Driftstrecke (30) eingeführt. Die Driftstrecke
(30) kann hier beispielsweise als radial fokussierendes
Quadrupolsystem ausgebildet sein, wie es in 3 gezeigt
wird. Die Weiterleitung der Ionen führt über eine
Druckminderungsstufe (31) in ein weiteres Quadrupol-Ionenleitsystem
(32), aus dem die Ionen dann durch das Linsensystem (33)
zu einem feinen Strahl (35) geformt in den Pulser (36)
des Flugzeitmassenanalysators (38) eingeschossen werden.
Hier werden sie senkrecht zu ihrer bisherigen Flugrichtung ausgepulst,
bilden den aus Teilabschnitten des originären Ionenstrahls
bestehenden Strahl (37), der von einem Reflektor (39)
reflektiert und nach Massen hoch aufgelöst auf den Detektor
(40) trifft. Vakuumpumpen (41 bis 45)
erhalten das Vakuum in den verschiedenen Abschnitten, wobei in der
Driftstrecke (30) ein Druck eines Driftgases von etwa 500
Pascal, in dem Quadrupol-Ionenleitsystem (32) ein Druck
eines Kühlungsgases von etwa ein Zehntel bis ein Hundertstel
Pascal, und im Flugzeitmassenspektrometer ein Restdruck von etwa 10–4 bis 10–7 Pascal
aufrecht erhalten werden.
-
3 zeigt
als Beispiel für eine Driftstrecke einen Einblick in ein
Quadrupolsystem für eine radiale Fokussierung, das aus
insgesamt vier der beiden sichtbaren Keramikplatten (70, 71)
mit gebogenen Drähten (72) besteht. Die sehr präzise
gebogenen Stahldrähte (72) werden in Löcher
der Keramik eingesteckt, von einer Matrixform sehr genau positioniert
gehalten und dann durch Hartlot befestigt. Damit kann einerseits
durch eine gemeinsame Hochfrequenzspannung an allen Drähten
je zweier gegenüberliegenden Keramikplatten eine Stoßfokussierung der
Ionen auf die zentrale Achse und andererseits durch gleichmäßig
verteilte Gleichspannungsdifferenzen zwischen jeweils benachbarten
Drähten (72) ein elektrisches Ziehfeld für
die Ionen erzeugt werden. Die Beschaltung der Drähte kann
auf der Rückseite der Keramikplatten (70, 71)
aufgedruckt sein. In ähnlicher Weise lassen sich auch Hexapol-
oder Oktopolsysteme aufbauen, die eine schwächere axiale Fokussierung
erzeugen.
-
4 zeigt
ein einfaches Modulations-Schaltgitter, das als Bradbury-Nielsen-Gitter
mit bipolar angeordneten Gitterdrähten (81) mit
Anschlüssen (82, 83) auf einer Keramikplatte
(80) ausgeführt ist. Schaltgitter dieser Art werden
in den meisten Mobilitätsspektrometern verwendet.
-
5 gibt
die gemessene Durchlasskurve eines solchen Modulations-Schaltgitters
für den Ionenstrom in Picoampere (Ordinate) in Abhängigkeit von
der Steuerspannung in Volt (Abszisse) wieder. Die Durchlasskurve
(Kennlinie) hat einen breiten linearen Betriebsbereich, der sich
sehr gut für eine Modulation eignet.
-
Besonders günstige
Ausführungsformen
-
Die
Erfindung geht aus dem Hauptanspruch 1 hervor; günstige
Ausformungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 16 wiedergegeben.
-
Wie
oben schon beschrieben, ist es der Grundgedanke der Erfindung, den
Ionenstrom aus der Ionenquelle mit einer stetigen Modulierungsfunktion
endlicher Modulierungsperiode mit einer Momentanfrequenz, die in
einem weiten Frequenzbereich variiert, analog zu modulieren, den
Ionenstrom durch eine Mobilitätsdriftstrecke einem Massenspektrometer
zuzuführen, mit dem Massenspektrometer das zeitlich variierende
Ionenstromprofil mindestens einer Ionensorte zu messen, und das
Mobilitätsspektrum einer Ionensorte aus ihrem zeitlich
variierenden Ionenstromprofil durch eine Korrelation mit der Modulationsfunktion
zu gewinnen. Es ergibt sich eine Ionennutzung von etwa 50 Prozent,
ohne dabei, wie in der Arbeit von Belov et al.,
zu Überhöhungen des von der Ionenquelle gelieferten
Ionenstroms zu führen. Heutige kommerzielle Massenspektrometer
sind mit ihrem dynamischen Messbereich an die Ionenströme der
verwendeten Ionenquellen angepasst, so dass Überhöhungen
des Ionenstromes zu einer nachteiligen Übersättigung
des Ionendetektors führen können.
-
Das
Verfahren greift dabei in seinem Grundprinzip auf die oben zitierte
Patentanmeldung U. Renner zurück, die bei reinen Ionenmobilitätspektrometern
zu überragend guten Mobilitätsspektren führt, muss
aber an die Erfordernisse des angeschlossenen Massenspektrometers
angepasst werden. Insbesondere ist dabei das Problem zu lösen,
die für eine hohe Mobilitätsauflösung
notwendige hohe Messfrequenz beizubehalten. Renner hat als Modulationsfunktionen
Chirps verwendet, die von null bis sieben Kilohertz reichten, und
für die Messungen des mo dulierten Ionenstroms am Detektor
seines Mobilitätsspektrometers eine Digitalisierungsfrequenz
von 40 Kilohertz angewendet.
-
Bei
der Verwendung eines einkanaligen Massenfilters kann eine solch
hohe Digitalisierungsfrequenz gerade so eben erreicht werden. Die
Ionen erleiden beim Passieren des Massenfilters Vermischungen von
langsameren und schnelleren Ionen, die die Mobilitätsauflösung
begrenzen. Damit können aber, ähnlich wie bei
Renner, sehr gute Mobilitätsspektren mit Auflösungen
von etwa Rd = 100 erhalten werden.
-
Für
die Aufnahme von Messserien mit Einzelmassenspektren, sei es über
weite oder auch nur über eingeschränkte Massenbereiche,
ist es weit schwieriger, so hohe Mobilitätsauflösungen
zu erreichen. Eine Aufnahmerate von 40 Kilohertz ist selbst bei
sehr schnellen Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss
heute noch nicht möglich. Hier liegt die maximale Aufnahmerate
für die einzelnen Massenspektren gegenwärtig bei
nur etwa zehn Kilohertz, wobei aber das einzelne, so gewonnene Einzelmassenspektrum
wegen der regelmäßig wenigen erfassten Ionen nur
in Ausnahmesituationen optimaler Substanzzufuhr und optimaler Ionenströme überhaupt
für sich auswertbar ist. Der übliche Weg, in solchen
Flugzeitmassenspektrometern ohne vorgeschaltete Driftstrecken zu
gut auswertbaren Massenspektren zu kommen, besteht darin, eine Reihe
von einigen Hundert konsekutiv aufgenommener Einzelmassenspektren
zu addieren. Dieses Verfahren setzt aber bei Kopplungen mit Mobilitätsspektrometern
die Zeitauflösung für die Mobilitätsbestimmung
so drastisch herab, dass das Verfahren nutzlos wird.
-
Es
wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Messserien für Einzelmassenspektren mit gleichen Modulationsperioden
zu wiederholen, die jeweils miteinander korrespondierenden Einzelmassenspektren
aus den einzelnen Messserien zu addieren, wodurch die im Prinzip
erreichbare Mobilitätsauflösung der Einzelmassenspektren
erhalten bleibt. Bei einer Spektrenaufnahmerate von zehn Kilohertz
repräsentiert jedes der so erhaltenen Summenmassenspektren
einen Zeitabschnitt von 100 Mikrosekunden. Die Mobilitätsauflösung
ist dann zwar nicht ganz so hoch wie es das Verfahren von Renner
für reine Mobilitätsspektrometrie bietet, reicht
aber immerhin an gute Mobilitätsspektrometer mit etwa Rd = 80 heran, wenn genügend lange
Driftstrecken mit genügend hohen Feldstärken verwendet
werden. Es können dabei, je nach Anforderungen an die Qualität
der Mobilitätsspektren und an ihren dynamischen Messbereich,
einige Zehn bis zu Tausend Messserien unter Wiederholungen der Modulationsperioden
verwendet werden, wenn der von der Ionenquelle in dieser Zeit gelieferte
Ionenstrom in seiner Zusammensetzung gleich und konstant bleibt.
Es entstehen dabei 1000 bis 10000 Summenmassenspektren für
die Korrelationsanalyse.
-
Unter „korrespondierenden” oder
auch „jeweils miteinander korrespondierenden” Massenspektren
sollen hier diejenigen Massenspektren verstanden werden, die in
den wiederholten Messserien jeweils die gleiche Stelle in der zeitlichen
Reihenfolge der Massenspektren besetzen.
-
Obwohl
für diese Art der Mobilitätsmessung die Ionenquelle über
längere Zeit mit einem konstanten Gemisch aus Substanzen
gefüttert werden muss, ist dieses Verfahren in vielen Fällen
anwendbar. Ein Beispiel ist die Erforschung möglicher Faltungsstrukturen
von Proteinen, die auf verschiedenen Wegen oder unter verschiedenen
Bedingungen synthetisiert wurden und in genügender Menge
vorliegen. Ein weiteres Beispiel ist die Qualitätskontrolle
bei der Herstellung von Peptiden, die auf das gleichzeitige Vorliegen
von verschiedenen Faltungsstrukturen zu überprüfen
sind. Die gesamte Messzeit liegt dann je nach Anforderungen an die
Qualität der Mobilitätsspektren und an ihren dynamischen
Messbereich zwischen 100 und 10000 Sekunden, also bei etwa zwei
Minuten bis zu drei Stunden.
-
Ist
dieses Ionenmobilitäts/Massenspektrometer hingegen mit
einem substanzseparierenden Gerät gekoppelt, wie beispielsweise
einem Flüssigkeitschromatographen, so ist dieses Verfahren
nicht mehr anwendbar, da die Substanzen jeweils nur für maximal
einige Zehn Sekunden an der Ionenquelle anliegen. Es kann aber in
diesem Fall häufig auf eine hohe Mobilitätsauflösung
verzichtet werden. In diesem Fall ist es möglich, innerhalb
einer Messserie jeweils eine Teilserie aus genügend vielen
konsekutiv aufgenommener Einzelmassenspektren zu Summenmassenspektren
zu addieren. Insbesondere kann beispielsweise ein Mischbetrieb mit
der Addition von je zehn konsekutiver Einzelmassenspektren zu Teilsummenmassenspektren
und eine Summation korrespondierender Teilsummenmassenspektren aus
jeweils 20 Wiederholungsperioden der Modulationsfunktion zu Summenmassenspektren
verwendet werden, wodurch sich bei einer Modulationsperiode von
200 Millisekunden insgesamt eine Messdauer von vier Sekunden ergibt,
die meist gut mit nicht allzu schnellen Separationsverfahren kompatibel
ist. Es entstehen dabei 200 Summenmassenspektren für die
Auswertung durch Korrelation mit der Modulationsfunktion.
-
Heutige
Flugzeitmassenspektrometer arbeiten für eine schnelle Digitalisierung
der Einzelmassenspektren mit sogenannten Transientenrekordern, die
eine Digitalisierungsrate von zwei Gigahertz haben. Transientenrekorder
für höhere Digitalisierungsraten von acht oder
sogar zehn Gigahertz sind in Entwicklung. Die Digitalisierungsrate
beschränkt die Aufnahmerate für die Einzelmassenspektren.
Es ist also für die Zukunft zu erwarten, dass sich höhere
Aufnahmefrequenzen für Einzelmassenspektren (oder zumindest
für eingeschränkte Massenbereiche der Einzelnmassenspektren)
und damit auch höhere Mobilitätsauflösungen
erreichen lassen werden.
-
Die
Variation der Modulationsfrequenz wird bevorzugt in Form von Chirps
ausgeführt, wobei ein Chirp von einer Frequenzuntergrenze
null Hertz bis zu einer Frequenzobergrenze geführt und
voll über die vorgesehene Modulationsperiode ausgedehnt wird.
Die Frequenzobergrenze bestimmt die maximale Mobilitätsauflösung.
Eine Frequenzobergrenze von etwa drei Kilohertz ergibt im Mobilitätsspektrum Signalbreiten
in halber Maximalhöhe von etwa 300 Mikrosekunden. Das entspricht
einer immer noch überraschend guten Mobilitätsauflösung
zwischen etwa Rd = 60 und Rd =
80. Als Präferenz wird ein „linearer Chirp” mit
einem in der Zeit linearen Anstieg der Frequenz verwendet. Die Erzeugung
des Modulationssteuersignals für das Schaltgitter erfolgt
in der Praxis durch Digital-Analog-Wandlung von zuvor berechneten
Werten der Modulationsfunktion, welche zu diesem Zwecke in einem
Speicher abgelegt werden. Die Aufnahmeraten für Massenspektren
im Massenspektrometer müssen schnell genug sein und sollten
mindestens bei etwa dem dreifachen Wert der Frequenzobergrenze der
Modulationsfunktion liegen.
-
Findet
die Modulation symmetrisch zwischen null und hundert Prozent des
Ionenstromes statt, so werden im statistischen Mittel 50% aller
Ionen durchgelassen, ohne dass Überhöhungen des
Ionenstroms aus der Ionenquelle auftreten. Die Variation der Modulierungsfrequenz
im Chirp beginnt bevorzugt bei null Hertz und reicht, für
ein Flugzeitmassenspektrometer mit zehn Kilohertz Aufnahmerate für die
Einzelmassenspektren, bis etwa drei Kilohertz. Diese Modulierung
betrifft alle Ionensorten; die eingeprägten Muster der
einzelnen Ionensorten verschieben sich wegen der verschiedenen Driftgeschwindigkeiten
während der Drift der Ionen durch die Driftstrecke des
Mobilitätsspektrometers zueinander, so dass in den Massenspektren
ein kompliziertes Überlagerungsmuster vorliegt.
-
Für
die Auswertung werden aus der Folge der Einzel- oder Summenmassensmassenspektren die
Ionenstromprofile ausgewählter Ionensorten gleicher Ladungsstufe
anhand ihrer Massen exzerpiert. Dabei ist es günstig, die
Ionenströme aller Isotopensatelliten zu addieren. Es ergeben
sich jeweils geschlossene Ionenstromprofile, da alle Ionensorten wegen
des stetigen, wenn auch modulierten Ionenstroms stets in allen Massenspektren
vorkommen. Nur wenn der Ionenstrom durch die Modulation momentan
auf null gebracht wurde, fehlen die Massen dieser Ionensorte im
Massenspektrum, aber auch nur, wenn Ionen der gleichen Ionensorte
nicht mit anderer Mobilität ein zweites oder sogar drittes
Mal im Mobilitätsspektrum vorkommen. Aus diesen Ionenstromprofilen
wird durch eine Korrelationsanalyse mit der Modulierungsfunktion
jeweils ein Mobilitätsspektrum für die entsprechende
Ionensorte erstellt. Aus dem Mobilitätsspektrum geht der
Mobilitätswert der Ionensorte hervor. Kommen Ionensorten
mit Ionen verschiedener Faltungszustände vor und sind diese nach
Mobilitäten aufgelöst, so erscheinen im Mobilitätsspektrum
mehrere Mobilitätssignale.
-
Ionen
verschiedener Ladungsstufen haben schon wegen ihrer anderen Ladung
andere Mobilitäten. Die Untersuchung der Ionen verschiedener
Ladungsstufen kann dabei zu einer Bestätigung der Ergebnisse
aus anderen Ladungsstufen führen. Wurden beispielsweise
für einfach geladenen Ionen drei Faltungsstrukturen mit
verschiedenen Mobilitäten gefunden, so ist zu erwarten,
dass diese auch für zweifach und dreifach geladene Ionen
der gleichen physikalischen Masse gefunden werden. In Ausnahmefällen
kann eine weitere Protonierung in der Ionenquelle aber auch zu einer
Umfaltung führen.
-
Im
Allgemeinen wird das Verfahren nicht mit hohen Anzahlen an verschiedenen
Substanzen durchgeführt. Werden etwa fünf Substanzen
gleichzeitig einer solchen Mobilitätsprüfung unterzogen,
so entstehen in einer Elektrosprüh-Ionenquelle daraus meist
jeweils ein-, zwei- und dreifach geladene Ionen. Diese insgesamt
etwa 15 Arten von Ionen jeweils gleicher Ladungsstufe werden hier
als „Ionensorten” bezeichnet; die Ionensorten
bestehen also jeweils aus den Ionen einer Isotopengruppe mit gleicher
Ladung. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die
Ionenströme aller Signale einer Isotopengruppe zusammenzufassen
und in ein gemeinsames Ionenstromprofil einzubringen. Aus den fünfzehn
Ionenstromprofilen ergeben sich dann fünfzehn Mobilitätsspektren.
Selbst bei gleichzeitiger Untersuchung von 20 Substanzen ergeben
sich nur etwa 60 Mobilitätsspektren.
-
Ein
durchaus interessanter Sonderfall mit vielen Routineanwendungen
besteht darin, überhaupt nur eine Ionensorte auf das Vorkommen
von Ionen mit verschiedenen Mobilitäten zu untersuchen. In
diesem Fall kann nach der Driftstrecke der modulierte Ionenstrom
dieser einen Ionensorte einem einkanaligen Massenspektrometer zugeführt
werden, beispielsweise einem Quadrupol-Massenfilter, dessen Durchlass
genau auf diese Ionensorte eingestellt ist. Das Gerät liefert
dann am Ionendetektor sofort das Ionenstromprofil, aus dem durch
Korrelationsanalyse das Mobilitätsspektrum gewonnen wird.
Ein Gerät für dieses Verfahren braucht also nur
aus Ionenquelle, Modulationsgitter, Driftstrecke, Quadrupolfilter
und Ionendetektor mit entsprechenden Gehäusen, Vakuumpumpen
und Elektronik zu bestehen. Es kann hohe Mobilitätsauflösungen
liefern, wie sie von Renner für reine Mobiltiätsspektrometer
erreicht werden.
-
Durch
das bekannte Verfahren des MRM (multiple reaction monitoring), bei
dem das Quadrupolfilter schnell zyklisch zwischen verschiedenen Massen
hin und her geschaltet werden kann, lässt sich dieses Verfahren
dann auf zwei (oder auch mehr) Ionensorten erweitern, so dass beispielsweise die
ein-, zwei- und dreifach geladenen Ionen der gleichen Substanz untersucht
werden können, um Bestätigungsmessungen für
das Auftreten von mehreren Faltungsstrukturen zu erhalten. Diese
Art des Betriebs setzt aber sofort die Auflösung im Mobilitätsspektrum
herab, da die Geschwindigkeit des Umschaltens auf einige hundert
Mikrosekunden beschränkt ist.
-
Die
durch die Korrelationsanalysen aus den Ionenstromprofilen gewonnenen
Mobilitätsspektren haben einen glatten Verlauf mit einer
so hohen Mobilitätsauflösung, wie sie bei klassischen
Pulsverfahren nur mit schmalen Pulsbreiten erreicht werden kann. Das
Pulsverfahren bewirkt aber, besonders bei kurzen Pulsbreiten, wegen
der viel geringeren Nutzung der Ionen ein sehr starkes Rauschen
auf den Signalen des Mobilitätsspektrums, was bei dem erfindungsgemäßen
Modulationsverfahren nicht der Fall ist. Das Verhältnis
der Signalhöhe zum Rauschen wird bei etwa gleicher Mobilitätsauflösung
um einen Faktor vier bis fünf verbessert; damit steigt
auch die Nachweisempfindlichkeit um einen Faktor vier bis fünf
an.
-
Die
Mobilitätsspektren sind von ihrer Qualität und
Art her gut geeignet, aus ihnen absolute Mobilitäten für
den Vergleich mit theoretisch abgeleiteten Mobilitäten
für verschiedene Faltungsstrukturen zu gewinnen, insbesondere,
wenn Helium als Driftgas verwendet wird, was die theoretischen Berechnungen
vereinfacht.
-
Die
Modulierungsfunktion kann bevorzugt ein linearer oder nichtlinearer
Chirp sein. Die Modulierungsperiode kann etwa 100 bis 1000 Millisekunden
lang sein, in der dann jeweils eine Messserie mit 1000 bis 10000
Massenspektren gemessen wird. Ein Chirp kann dabei den Frequenzbereich
von null bis maximal etwa fünf Kilohertz, vorzugsweise
bis etwa drei Kilohertz, durchlaufen.
-
Es
sei besonders darauf hingewiesen, dass dieses Verfahren zu keiner
Zeit eine Separation von Ionen aufgrund ihrer Mobilität
beinhaltet. Es fließt immer ein modulierter, unseparierter
Strom von Ionen jeder Mobilität durch die Driftstrecke,
wobei sich die modulierten Ionenströme der Ionen verschiedener Mobilitäten
mit ihren verschiedenen Driftgeschwindigkeiten aneinander vorbei
schieben. Erst durch die Demodulierung werden die Driftgeschwindigkeiten und
damit die Mobilitäten bestimmt.
-
Es
sei ferner hier angemerkt, dass diese Art der Modulation von der
in der Nachrichtentechnik bekannten Modulation verschieden ist,
durch die ein in der Regel hochfrequentes Trägersignal
mit einem Nutzsignal amplituden-, frequenz- oder phasenmoduliert
wird. Das Nutzsignal ist dann in den Amplitudenänderungen,
in den Frequenzänderungen oder in den Phasensprüngen
enthalten. Der Ionenstrom, der hier moduliert wird, hat zunächst
weder Phase noch Frequenz; Phasen und Frequenzen hat nur die Modulationsfunktion,
die die Ionenstromstärke zwischen null und voller Stromstärke
moduliert. Die Modulationsfunktion ist hier eine Codierung, die
später die im Ionenstrom enthaltenen Teilionenströme
mit Ionen verschiedener Mobilitäten anhand des Modulationsmusters
wiederzuerkennen erlaubt.
-
Das
soll jedoch nicht heißen, dass nicht die Modulationsfunktion
selbst wiederum eine Frequenz- oder Phasenmodulation eingeprägt
enthalten kann. Es soll darum die Formulierung „stetige
Modulationsfunktion mit variierender Momentanfrequenz” nicht zu
eng ausgelegt werden. Es sollen hier alle denkbaren Arten der Ausformung
der Modulationsfunktion eingeschlossen sein, solange die Modulationsfunktion
stetig bleibt.
-
Es
seien nun die verschiedenen Verfahren anhand der dazu geeigneten
Ausführungsformen der Geräte dargelegt. Eine günstige
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann, wie schon angemerkt, bereits in einem Mobilitätsspektrometer mit
einem einkanaligen Massenspektrometer, also einem Massenfilter,
durchgeführt werden, wobei das Massenfilter das Ionenstromprofil
der ausgewählten Ionensorte misst.
-
In 1 ist
das Schema eines solchen Mobilitätsspektrometers dargestellt,
das am Ende der Driftstrecke (59) mit einem einkanaligen
Massenfilter (63) gekoppelt ist. Das Mobilitätsspektrometer
der 1 besitzt aber als Besonderheit ein weiteres Massenfilter
(56) zur Vorauswahl der Ionensorte, um das Überladen
der Driftstrecke und insbesondere die Entstehung von störenden
Reaktionsprodukten aus einer Vielzahl von Ionensorten zu vermeiden.
Die in der Elektrosprüh-Ionenquelle (50, 51)
erzeugten Ionen werden über die Einlasskapillare (52)
einem zweistufigen Ionentrichter (53, 54) zugeführt,
der sie über das Modulations-Schaltgitter (55)
dem ersten Massenfilter (56) zuführt. Die ausgewählte
Ionensorte wird über Ionenlinsen und Druckanpassungsstufen (57, 58)
in die Driftstrecke (59) und von dort aus, wieder über
Ionenlinsen und Druckanpassungsstufen (60, 61, 62)
dem angekoppelten Massenfilter (63) mit Ionendetektor (65)
zugeführt. Die Druckanpassungsstufen werden jeweils durch
Quadrupol-Ionenleitsysteme (58, 60, 62) überbrückt.
Im Ionendetektor (65) wird das Ionenstromprofil der ausgewählten
Ionensorte gemessen, und aus dem Ionenstromprofil wird durch Korrelationsanalyse
das Mobilitätsspektrum erstellt. Die Driftstrecke (59)
kann dabei beispielsweise ein stoßfokussierendes Quadrupolsystem
sein, wie es in 3 dargestellt ist.
-
Das
zusätzliche, nicht unbedingt notwendige Massenfilter (56)
dient zur Vorauswahl einer Ionensorte, damit nicht aus einem komplexen
Gemisch verschiedener Ionensorten durch Reaktionen oder metastabile
Zerfälle eine Ionensorte entsteht, die die gleiche Masse
wie die untersuchten Ionen besitzt und bei der mäßigen
Massenauflösung der Massenfilter nicht von der zu untersuchenden
Ionensorte unterschieden werden kann.
-
Wird
das Massenfilter (63) im MRM-Betriebsmodus (multiple reaction
monitoring) durch Umschalten auf den Durchlass verschiedener Ionensorten
betrieben, so kann man die Mobilitätsspektren mehrerer Ionensorten
gleichzeitig aufnehmen, allerdings unter Verlust an Mobilitätsauflösung,
da die Umschaltungen nicht beliebig schnell vorgenommen werden können.
-
Soll
eine größere Anzahl von Mobilitätsspektren
für ein Gemisch von Substanzen aufgenommen werden, so ist
es günstiger, ein Massenspektrometer zu verwenden, das
eine hohe Aufnahmerate für Massenspektren von vorzugsweise über
einem Kilohertz besitzt. Die 2 zeigt
ein grobes Schema eines Ionenmobilitätsspektrometers, das
mit einem hochauflösenden Flugzeitmassenspektrometer mit
orthogonalem Ioneneinschuss gekoppelt ist. Solche Massenspektrometer
können heutzutage Massenspektren mit einer Rate von zehn
Kilohertz aufnehmen.
-
Die
Analytionen aus der Elektrosprüh-Ionenquelle (21, 22)
werden durch eine Eintrittskapillare (23) in das Vakuumsystems
des Mobilitätsspektrometers transportiert, dort durch einen
Ionentrichter (24) eingefangen und über das Modulations-Schaltgitter
(25) in die Driftstrecke (30) eingeführt.
Die Driftstrecke kann auch hier als besonders ausgeführtes Quadrupolsystem
ausgebildet sein, wie es in 3 gezeigt
wird. Die Weiterleitung der Ionen führt über eine
Druckminderungsstufe (31) in ein weiteres Quadrupol-Ionenleitsystem
(32), aus dem die Ionen dann durch das Linsensystem (33)
zu einem feinen Strahl (35) geformt in den Pulser (36)
des Flugzeitmassenanalysators (38) eingeschossen werden.
Hier werden sie senkrecht zu ihrer bisherigen Flugrichtung ausgepulst,
bilden den Strahl (37), der von einem Reflektor (39)
reflektiert und hoch nach Massen aufgelöst auf den Detektor
(40) trifft. Vakuumpumpen (41 bis 45)
erhalten das Vakuum in den verschiedenen Abschnitten, wobei in der
Driftstrecke (30) ein Druck eines Driftgases von etwa 500
Pascal, in dem Quadrupol-Ionenleitsystem (32) ein Druck
eines Kühlungsgases von etwa ein Zehntel bis ein Hundertstel Pascal,
und im Flugzeitmassenspektrometer ein Restdruck von etwa 10–4 bis 10–6 Pascal
aufrecht erhalten werden.
-
Für
die Driftstrecke können ganz gewöhnliche Anordnungen
mit einer Serie paralleler Elektrodenringe verwendet werden, die
längs der Achse ein elektrisches Ziehfeld aufspannen. Als
Ziehfelder werden elektrische Felder mit Feldstärken von
etwa 1000 bis 3000 Volt pro Meter verwendet. In diesen Driftstrecken
wirkt aber nicht nur eine Diffusion der Ionen in Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung, sonder auch radial, so
dass die Ionen während ihrer Drift auch radial weit auseinander
laufen. Sie müssen daher wieder radial eingefangen werden,
was bei Belov et al. durch einen zusätzlichen
Ionentrichter am Ende der Driftstrecke vorgenommen wird.
-
Es
gibt jedoch auch die Möglichkeit, die Ionen während
ihrer Drift bereits axial zu fokussieren, wie im oben bereits zitierten
Patent Loboda für gepulst eingespeiste, mobilitätsseparierte
Ionenpakete vorgeschlagen. Die 3 zeigt
als Beispiel für eine solche radial fokussierende Driftstrecke
einen Einblick in ein besonders ausgeführtes Quadrupolsystem,
das aus insgesamt vier der beiden sichtbaren Keramikplatten (70, 71)
mit gebogenen Drähten (72) besteht. Damit kann
einerseits durch eine gemeinsame Hochfrequenzspannung an den Drähten
je zweier gegenüberliegenden Keramikplatten eine Stoßfokussierung
der Ionen auf die zentrale Achse und andererseits durch gleichmäßig
verteilte Gleichspannungsdifferenzen zwischen jeweils benachbarten Drähten
(72) ein elektrisches Ziehfeld für die Ionen erzeugt
werden. Die Stoßfokussierung wird durch eine stete Dämpfung
der kinetischen Energie der Ionen und die rücktreibende
Kraft des Pseudopotentials bewirkt.
-
Für
die Herstellung eines solchen Quadrupolsystems können beispielsweise
sehr präzis gebogene Stahldrähte (72)
in Löcher der Keramikplatten (70, 71)
eingesteckt, dort von einer Matrixform sehr genau positioniert gehalten
und dann durch Hartlot befestigt werden. Es kann damit im Inneren
ein recht präzises elektrisches Feld mit guter axialer
Konstanz erzeugt werden. Sind die Drähte genau hyperbolisch geformt,
so entsteht in radialer Richtung ein präzises quadrupolares
Hochfrequenzfeld. Es ist ein solches quadrupolares Hochfrequenzfeld
aber nicht unbedingt notwendig, es können daher andere
Formen für die Drähte günstiger sein.
Die Beschaltung der Drähte kann auf der Rückseite
der Keramikplatten (70, 71) aufgedruckt sein.
-
Statt
eines solchen Quadrupolsystems kann aber auch ein ähnlich
aufgebautes Hexapol- oder sogar Oktopolsystem verwendet werden.
Diese Multipolsysteme fokussieren weniger stark; in ihnen bildet sich
nicht ein sehr dünner, fadenförmiger Ionenstrom in
der Achse, der Probleme mit Raumladungen bieten kann. Ein etwas
dickerer fadenförmiger Ionenstrom kann am Ende der Driftstrecke
immer noch gut über Druckminderungsstufen einem besser
fokussierenden Quadrupolsystem zugeführt werden, das bei der
Formung des feinen Ionenstrahls für den Pulser des Flugzeitmassenspektrometer
hilft.
-
In
der Driftstrecke befindet sich ein Driftgas in einem Druckbereich
zwischen etwa 100 und 1000 Pascal, vorzugsweise mit einem Druck
von etwa 500 Pascal. Als Driftgas wird idealer Weise Helium verwendet,
weil sich dann leichter Vergleiche mit theoretisch abgeleiteten
Mobilitäten verschiedener Faltungsstrukturen durchführen
lassen. Es kann aber auch Stickstoff, Argon oder ein anderes Gas
verwendet werden. Der Druck in der Driftstrecke sollte gut eingeregelt
sein. Üblicherweise wird in den Niederdruck-Driftstrecken
mit ruhendem Driftgas gearbeitet. Im Patent Loboda wird ein entgegenströmendes
Gas verwendet, das für Ionensorten eines bestimmten Mobilitätsbereichs
wie eine Verlängerung der Driftstrecke wirkt. Das strömende
Driftgas lässt sich nur anwenden, wenn die Ionen alle in
Bereichen des Driftgases driften, die die gleiche Geschwindigkeit des
Driftgases aufweisen. Da sich für strömende Gase
in diesem Druckbereich laminare Strömungen mit parabolischem
Geschwindigkeitsprofil einstellen, kann dieses Verfahren nur mit
axialer Fokussierung der Ionen angewendet werden.
-
Die
Schaltgitter (54) oder (25) der 1 oder 2 können
aus sehr transparent angeordneten bipolaren Poldrähten
bestehen, die räumlich alternierend auf verschiedenes Potential
gelegt werden können. Schaltgitter dieser Art werden in
den meisten Mobilitätsspektrometern verwendet; sie eignen
sich überraschend gut auch als Modulations-Schaltgitter. 4 zeigt
ein solches Modulations-Schaltgitter mit bipolar angeordneten Gitterdrähten
(81) auf einer Keramikplatte (80) mit den beiden Anschlüssen
(82) und (83) für die beiden antipolaren Gleichspannungen,
die eine Sperrung des Gitters bewirken. Im Sperrbetrieb werden die
Ionen den Drähten zugeführt und dort entladen.
Wird der Potentialunterschied zunehmend entfernt, so wird das Gitter zunehmend
mehr auf Durchlass geschaltet, die Ionen treten in die nachfolgende
Driftstrecke ein und werden durch das elektrische Feld durch die
Driftstrecke gezogen.
-
5 gibt
die gemessene Durchlasskurve eines solchen Modulations-Schaltgitters
für den Ionenstrom in Picoampere (Ordinate) in Abhängigkeit von
der Steuerspannung in Volt (Abszisse) wieder. Die Durchlasskurve
(Kennlinie) hat einen breiten linearen Betriebsbereich, der sich
sehr gut für eine Modulation eignet.
-
Die
Entwicklung solcher Schaltgitter war bisher auf eine Erzeugung sauberer
kurzzeitiger Ionenstrompulse gerichtet. Besonders bei Entfernen
des Sperrpotentials durfte dabei kein Überschwingen der Sperrspannung
auftreten, weil sonst den Ionenstrompulsen eine ungünsti ge
Schwingungsstruktur eingeprägt wurde. Außerdem
musste darauf geachtet werden, dass die Ionen sofort nach Beseitigung
der Sperrspannung durch das Gitter hindurchtreten konnten. Diese
Eigenschaften kommen jetzt der Analogsteuerung für die
Modulation zugute.
-
Die
Modulation mit der stetigen Modulationsfunktion mit variierender
Momentanfrequenz muss aber nicht durch ein solches Schaltgitter
vorgenommen werden. So kann beispielsweise die Ionenerzeugung selbst
moduliert werden, was bei manchen Arten der Ionenerzeugung wie beispielsweise
der Photoionisation, möglich ist. Es kann aber auch die Durchlassspannung
für die Ionen in den Ionentrichtern (24) oder
(52, 53) entsprechend gesteuert werden.
-
Um
im Sinne der Erfindung eine gute Korrelationsauswertung des Ionenstromsignals
ausführen zu können, muss die Modulationsfrequenz
einer Zeitfunktion folgend geeignet variiert werden. Als besonders
günstig erweisen sich dafür „Chirps”.
Ein Chirp ist eine stetige Funktion mit zeitlich schnell gegenüber
der Amplitudenfunktion veränderlicher Phasenfunktion. Die
Modulationsfrequenz ändert sich dabei monoton von einer
Frequenzuntergrenze zu einer Frequenzobergrenze. Unter einem linearen
Chirp versteht man eine Funktion, bei der die Frequenz linear mit
der Zeit ansteigt. Es ist besonders günstig, wenn der Chirp
so gedehnt wird, dass er die gewählte Modulierungsperiode,
beispielsweise eine Sekunde, vollkommen ausfüllt.
-
Für
reine Mobilitätsspektrometer hat sich hat sich in der Praxis
ein linearer Chirp bewährt, dessen Frequenzuntergrenze
von null Hertz bis zu einer Frequenzobergrenze von etwa sieben Kilohertz
reicht. Die Frequenzobergrenze bestimmt dabei einerseits die maximal
mögliche Mobilitätsauflösung des durch die
Korrelation erhaltenen Mobilitätsspektrums, andererseits
wirkt die Frequenzobergrenze glättend auf das Mobilitätsspektrum.
Da die Mobilitätsauflösung grundsätzlich
durch die Diffusionsverbreiterung begrenzt ist, wird die Frequenzobergrenze
eines bevorzugten Verfahrens auf diese Mobilitätsauflösung
abgestimmt. Es verschwindet dabei gleichzeitig alles Rauschen im
Mobilitätsspektrum, das eine Frequenz hat, die über
der Frequenzobergrenze liegt. Zur Unterdrückung sogenannter „sidelobes” kann
dem linearen Chirp zusätzlich eine Amplitudenmodulation aufgeprägt
werden, oder es kann die Frequenz in nichtlinearer Weise korrigiert
werden.
-
Selbstredend
kann die Modulationsfrequenz auch durch einen umgekehrten Chirp
frequenzabwärts verändert werden. Auch andere Änderungsfunktionen
können verwendet werden, darunter periodische oder mehrfach
durchlaufene Funktionen. Auch die Verwendung von Wavelets, beispielsweise für
eine fraktale Modulation, ist möglich. Periodische Veränderungsfunktionen
wie beispielsweise mehrfach durchlaufene Chirps enthalten aber die
Gefahr, dass im ausgewerteten Mobilitätsspektrum Artefakte auftreten
können, die von zufällig periodisch enthaltenen
Ionenstromsignalen rühren. Die gleichzeitige Anwendung
der Amplituden- und Phasenmodulation erweitert die Möglichkeiten
der Modulation in allgemeiner Weise.
-
Das
beschriebene analoge Modulationsverfahren kann dahingehend erweitert
werden, dass dazu Codes verwendet werden, um die Phasenfunktion
bzw. die Frequenz in stetiger und nichtstetiger Weise zu ändern.
Insbesondere können pseudozufällige Codes, z.
B. durch Galois-Felder erzeugte, dazu verwendet werden, einen Phasenänderung
zu bewirken. Hierzu kann zwischen den Phasen entsprechend einer
Codierung, etwa zwischen zwei um 180° pha senverschobene
Sinusschwingungen, günstigerweise beim Nulldurchgang, umgeschaltet werden,
was für reine Mobilitätsspektrometer praktisch
erprobt wurde. Mehrwertige Codes, etwa sogenannte Costas-Array,
können zur Frequenzcodierung benutzt werden, wobei die
Frequenzumschaltung beim Nulldurchgang einer Partialschwingung erfolgt, wodurch
die Modulationsfunktion stetig bleibt.
-
Das
Ionenstromprofil einer Ionensorte kann als mit dem Detektor eines
einkanaligen Massenspektrometers gemessenes, zeitlich veränderliches Analogsignal
in Realzeit oder in einem Analogspeicher vorliegen, in der Regel
liegt es aber nach Digitalisierung in einer Reihe von Digitalmesswerten
vor. Diese sind in einem elektronischen Speicher gespeichert. Der
verstärkte Ionenstrom in Realzeit oder im Analogspeicher
soll hier als „analoges Ionenstromprofil”, die
digitale gespeicherte Wertereihe als „digitales Ionenstromprofil” bezeichnet
werden.
-
Die
Korrelation des Ionenstromprofils mit der Modulationsfunktion kann
sowohl mit dem analogen Ionenstromprofil, beispielsweise in einem
elektronischen Korrelator, ausgeführt werden, wie auch
mit dem digitalen Ionenstromprofil in einem geeigneten Rechner.
Das Verfahren der Korrelation wird hier als bekannt vorausgesetzt,
es wird daher nicht weiter beschrieben. Das Ergebnis der Korrelation
des Ionenstromprofils mit der Modulationsfunktion ist dann das Mobilitätsspektrum,
das im ersteren Fall als analog vorliegendes Spektrum, im zweiten
Fall als digital vorliegendes Spektrum erhalten wird. Zur weiteren Verarbeitung
in einem Rechner ist das analog vorliegende Mobilitätsspektrum
ebenfalls zu digitalisieren.
-
Die
mit dieser Erfindung erhaltenen Mobilitätsspektren sind,
je nach Verfahren, mäßig gut bis sehr gut aufgelöst
und nahezu rauschfrei. Gute Verfahren erhöhen das Verhältnis
von Signal zu Rausch und damit die Nachweisempfindlichkeit gegenüber dem
einfachen Pulsverfahren um einen Faktor fünf. Das Mobilitätsspektrum
eignet sich hervorragend zum Einpassen von Gaußkurven,
auch bei kleinen Signalen nahe im Untergrund. Die Korrelationsanalyse
arbeitet wegen der analogen Modulation sehr stabil, anders als bei
rechteckiger Modulationsfunktion.
-
Die
bisher praktisch ausschließlich angewandten rechteckig,
das heißt binär, modulierten Ionenströme
mit den beiden Schaltzuständen „ein” und „aus” werden
in einem Ionenmobilitätsspektrometer (anders als in einem
Flugzeitmassenspektrometer) durch die Diffusionsprozesse während
der Drift so verändert, dass ihre Auswertung, sei es durch
Korrelation oder durch Fourier-Analysen, notwendigerweise durch
die Mischung aus binärerer Schaltcodierung und analoger
Signalverschmierung durch die Diffusionsprozesse leidet. Dieser
Nachteil bisheriger Verfahren wird durch diese Erfindung weitgehend
beseitigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4633083
A [0013]
- - US 5719392 [0014]
- - DE 102008015001 [0015]
- - US 6744043 B2 [0017]
- - US 5847386 [0017]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Mikhail E.
Belov et al., Analytical Chemistry, Vol. 79, No. 6, March 15, 2007,
2451 („Multiplexed Ion Mobility Spectrometry-Orthogonal-Time-of-Flight Mass
Spectrometry”) [0018]
- - Belov et al. [0019]
- - Belov et al. [0022]
- - Belov et al. [0037]
- - Belov et al. [0065]