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Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Auswertung von Massenspektren aus
Frequenzmassenspektrometer, in denen Ionen zu massenspezifischen Schwingungen
oder Zyklotronbewegungen angeregt werden und die Ionenbewegung als
Zeitsignal detektiert wird.
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Stand der Technik
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Im
Allgemeinen wird heute unter einem Fouriertransformations-Massenspektrometer
(FT-MS) ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (ICR-MS) verstanden,
in dem Ionenpakete in einem starken Magnetfeld zu massenspezifischen
Zyklotronbewegungen angeregt werden und die angeregten Ionen in
Detektionselektroden Bildströme
erzeugen. Die Bildströme
werden als Zeitsignal erfasst und durch eine Fouriertransformation
in ein Frequenzspektrum umgewandelt werden. Da die Zyklotronfrequenz
umgekehrt proportional zur Masse eines Ions ist, kann das Frequenzspektrum
in ein Massenspektrum überführt werden.
Die Ionen werden in einer ICR-Messzelle
radial durch das Magnetfeld und axial durch elektrische Potentiale
eingeschlossen.
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Das
Magnetfeld von ICR-Massenspektrometern wird bis auf wenige Ausnahmen
durch supraleitende Spulen bei Temperaturen von flüssigem Helium
erzeugt und erreicht Feldstärken
von bis zu 15 Tesla. Da das Magnetfeld einer supraleitenden Spule außerordentlich
stabil ist und die Frequenzmessungen zu den genauesten Messverfahren
gehören, weisen
die ICR-Massenspektrometer unter den Massenspektrometern die beste
Massenauflösung
und Massenrichtigkeit auf. Die Zyklotronfrequenz kann sich allerdings
durch eine Raumladung in der ICR-Messzelle
verschieben, die von den Ionen selber erzeugt wird. Aus der Offenlegungsschrift
US 2002/0130259 A1 ist
ein Verfahren bekannt, mit dem ein Frequenzspektrum in ein Massenspektrum
umgerechnet wird, wobei eine über
die Messzeit gemittelte Verschiebung der Zyklotronfrequenzen korrigiert wird,
die durch Raumladung verursacht worden ist. Eine Korrektur kann
nur für
den Fall erfolgen, dass Ionen gleicher Masse mit unterschiedlichen
Ladungszuständen
vorliegen, da das Verfahren Massendifferenzen minimiert, die zwischen
den Ionen gleicher Masse nach dem Herausrechnen (Entfalten) der
Ladungszustände
auftreten. Wie Simulationen zeigen, beeinflussen und verformen sich
die auf Zyklotronbahnen umlaufenden Ionenpakete aber auch während der
Messung aufgrund von Wechselwirkungen innerhalb einzelner Ionenpakete
und zwischen verschiedenen Ionenpaketen. Die Raumladung und damit
auch die Zyklotronfrequenzen der Ionenpakete können während der Messzeit einer zeitlichen
Drift unterliegen. Die elektrischen Potentiale für den axialen Einschluss der
Ionen in die Messzelle beeinflussen ebenfalls die Zyklotronfrequenz
und müssen
zumindest während
der Messzeit kon stant sein. Alle Arten von zeitlichen Parameterdriften
während
der Messzeit führen
zu zeitlichen Frequenzmodulationen im Zeitsignal, die wiederum dazu
führen,
dass die Linienbreiten im Frequenzspektrum zunehmen und folglich
die Massenauflösung
herabgesetzt wird. Zudem wird die Massenbestimmung bei einer „verschmierten” Linie
ungenauer.
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Es
gibt eine andere Klasse von Massenspektrometern, in denen Ionenpakete
entlang einer Raumrichtung in einem harmonischen parabelförmigen Potential
und senkrecht dazu durch radial wirkende Kräfte gespeichert werden. Die
radial wirkenden Kräfte
können
beispielsweise Magnetfelder, durch Hochfrequenzfelder erzeugte Pseudopotentiale
oder elektrostatische Felder zwischen Zentralelektroden und äußeren Schalenelektroden
sein. Bei dieser Art von Massenspektrometern wird nicht eine Zyklotronbewegung,
sondern eine Schwingungsbewegung in dem harmonischen Potential detektiert.
Falls das harmonische Potential quer zur Schwingungsrichtung räumlich homogen
ist, bleibt ein Ionenpaket aus Ionen gleicher Masse in seiner Form
erhalten. Die Ionen verschiedener Massen schwingen als kohärente Ionenpakete
mit verschiedenen Frequenzen und induzieren in Detektionselektroden
Bildströme, die
zeitlich aufgelöst
detektiert werden. Das aufgenommene Zeitsignal wird wie bei ICR-Massenspektrometern
mittels einer Fouriertransformation in ein Frequenzspektrum umgewandelt
und durch eine entsprechende Umrechnung der Frequenzachse in ein Frequenzmassenspektrum überführt.
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Zu
dieser Klasse von „Schwingungsmassenspektrometern” gehören unter
anderen folgende Ausführungsformen:
- – dreidimensionale
Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen mit Detektionselektroden für Bildströme aus den
Patentschriften US 5,625,186
A (Frankevich et al.) und US 5,283,436 A (Wang),
- – lineare
Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen mit Detektionselektroden für Bildströme, wobei die
Ionen zwischen zwei Polstäben
schwingen und die Detektionselektroden zwischen den Polstäben angeordnet
sind ( US 6,403,955
B1 von Senko),
- – eine
elektrostatische Ionenfalle, die von der Firma Thermo-Fischer unter
dem Namen „Orbitrap®” vertrieben
wird und in der Ionen einerseits in einem elektrischen Radialfeld
umlaufen und andererseits in einer dazu senkrechten Richtung in
einem parabelförmigen
elektrischen Potential schwingen. Die dazu notwendigen elektrischen Potentiale
werden durch eine geschickte Formgebung einer inneren spindelförmigen Elektrode,
die auf einem anziehenden Potential gehalten wird, und einer äußeren Schale,
an der ein anziehendes Potential anliegt, erzeugt.
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Aus
der Patentschrift
DE
10 2007 009 272 B3 ist bekannt, dass in den Frequenzspektren
von Schwingungsmassenspektrometern sogenannte Scheinsignale (Oberschwingungen)
bei ganzzahligen Vielfachen von Grundschwingungen der Ionenpakete
beobachtet werden, wenn das harmonische Potential in den Schwingungsmassenspektrometern verzerrt
ist. Es wird dort weiterhin beschrieben, wie solche Scheinsignale
erkannt und beseitigt werden.
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Die
ICR-Massenspektrometer und die Schwingungsmassenspektrometer, so
verschieden sie auch sind, werden im Folgenden zusammenfassend als „Frequenzmassenspektrometer” bezeichnet,
da in beiden Arten die Bewegung von Ionenpaketen zeitlich aufgelöst detektiert
wird und das aufgenommene Zeitsignal in ein Frequenzspektrum transformiert
wird. Das Zeitsignal ist bei Anwesenheit von Ionen unterschiedlicher
Masse eine Überlagerung von
verschiedenen Frequenzkomponenten, also Zeitsignalen mit unterschiedlichen
Frequenzen, die in dem Frequenzspektrum aufgetrennt werden.
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Die
Massenauflösung
eines Frequenzmassenspektrometers steigt zumindest theoretisch proportional
zur Messzeit an. In kommerziell vertriebenen ICR-Massenspektrometern
und der Orbitrap® liegt die Messzeit für ein Zeitsignal
typischerweise zwischen einer Zehntelsekunde bis zu einigen Sekunden.
Es wird bei diesen Messzeiten eine hohe Massenauflösung in
der Größenordnung
von R = m/Δm
= 100000 erreicht, wobei m die Masse und Δm die Halbwertsbreite eines
Massensignals ist. Dabei ist zu beachten, dass die Massenauflösung prinzipiell mit
zunehmender Ionenmasse abnimmt.
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Die
Frequenzmassenspektrometer verlangen in der Regel ein gutes Vakuum,
damit die Ionenpakete während
der Messzeit nicht durch eine Vielzahl von Stößen diffus auseinander laufen.
Des Weiteren müssen
Geräteparameter
der Frequenzmassenspektrometer, wie z. B. elektrische Potentiale
an Elektroden oder Magnetfelder erzeugende Ströme, aber auch interne Parameter,
wie beispielsweise die Raumladung oder elektrostatische Aufladungen
an Elektroden, während
der Messzeit möglichst
konstant sein, um Frequenzverschiebungen während der Messzeit zu vermeiden.
Jede zeitliche Parameterdrift bewirkt eine Verbreiterung und Verschiebung der
Linien im Frequenzspektrum, wodurch die Massenauflösung bzw.
die Massenrichtigkeit des Frequenzmassenspektrums eingeschränkt werden.
Aufgrund der relativ langen Messzeiten ist es einerseits durchaus
schwierig, alle Geräteparameter
hinreichend konstant zu halten. Andererseits sind interne Parameter
unter Umständen überhaupt
nicht oder nur sehr eingeschränkt
beeinflussbar, wie etwa bei einer zeitlich veränderliche Raumladung aufgrund von
Wechselwirkungen innerhalb von Ionenpaketen oder zwischen Ionenpaketen.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine zeitliche Parameterdrift, die
während
der Aufnahme eines Zeitsignals in einem Frequenzmassenspektrometer auftritt,
nachzuweisen und, optional, das gemessene Frequenzmassenspektrum
zu korrigieren.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche 1, 2
und 10 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Patentansprüchen
3 bis 9 ausgeführt.
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Die
Grundidee für
den Nachweis einer zeitlichen Parameterdrift, besteht darin, dass
für eine
Frequenzkomponente des Zeitsignals die Momentanfrequenz im Zeitbereich
oder das Phasen spektrum im Frequenzbereich untersucht wird, ob die
Momentanfrequenz während
der Aufnahme des Zeitsignals konstant ist bzw. ob das Phasenspektrum
der Frequenzkomponente von dem Phasenspektrum eines harmonischen
Zeitsignals abweicht.
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Wenn
in einem Frequenzmassenspektrometer Ionen unterschiedlicher Masse
untersucht werden, ist das detektierte Zeitsignal eine Überlagerung von
verschiedenen Frequenzkomponenten. Der Übergang vom Zeitsignal (Zeitbereich)
zu einem Frequenzspektrum (Frequenzbereich), in dem die verschiedenen
Frequenzkomponenten spektral aufgetrennt werden, erfolgt beispielsweise
mittels einer Fouriertransformation. Das Frequenzspektrum wird dabei
meist durch ein Amplitudenspektrum und ein Phasenspektrum beschrieben.
Die Momentanfrequenz einer Frequenzkomponente ist die zeitliche Ableitung
des Phasenverlaufes der Frequenzkomponente im Zeitbereich, also
eine Funktion der Zeit, die angibt, wie sich die Trägerfrequenz
der Frequenzkomponente mit der Zeit ändert. Ein Zeitsignal kann neben
den äquivalenten
Darstellungen im Zeit- und Frequenzbereich auch durch Zeitfrequenzverteilungen
beschrieben werden, die sowohl eine Zeit- als auch eine Frequenzachse
aufweisen und eine zweidimensionale Darstellung des Zeitsignals
sind. Bekannte Beispiele für
Zeitfrequenzverteilungen sind die Kurzzeit-Fouriertransformation
(STFT = Short Time Fourier Transform) und die Zeitfrequenzverteilungen
der Cohenklasse, zu der beispielsweise die Page-Verteilung gehört.
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Der
Nachweis einer zeitlichen Parameterdrift allein ist für die Inbetriebnahme
und den Betrieb eines Frequenzmassenspektrometers wichtig, da dadurch
Regelgrößen zur
Verfügung
stehen, mit denen Parameter des Frequenzmassenspektrometers optimiert
werden können.
Die Momentanfrequenz ist dabei bevorzugt geeignet, da sie den zeitlichen
Verlauf der Parameterdrift beschreibt, wodurch für eine Optimierung relevante
Parameter identifiziert werden können.
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Die
rechnerische Korrektur einer nachgewiesenen Parameterdrift beruht
in der vorliegenden Erfindung darauf, dass in einem ersten Schritt
die Momentanfrequenz einer Frequenzkomponente bestimmt wird und
dass in einem zweiten Schritt die Zeitachse des Zeitsignals so transformiert
wird, dass die Frequenzkomponente des transformierten Zeitsignal
eine Momentanfrequenz mit einem konstanten Verlauf aufweist. Aus
der Momentanfrequenz kann eine Transformationsfunktion abgeleitet
werden, mit der die Zeitachse entsprechend lokal gedehnt oder gestaucht
wird. Das transformierte Zeitsignal wird anschließend durch
eine Frequenzanalyse (bevorzugt durch eine Fouriertransformation)
in ein Frequenzspektrum umgewandelt, das durch eine Umrechnung der
Frequenzachse in eine Massenachse in ein korrigiertes Frequenzmassenspektrum überführt wird. Eine
rechnerische Korrektur bleibt auf Teilbereiche des Frequenzmassenspektrums
eingeschränkt,
falls sich die Parameterdrift auf die im Zeitsignal vorhandenen
Frequenzkomponenten unterschiedlich auswirkt. In diesem Fall kann
das erfindungsgemäße Korrekturverfahren
auf verschiedene Frequenzkomponenten angewendet werden, wobei jeweils
der Teilbereich einer Frequenzkomponente im Frequenzmassenspektrum
korrigiert wird.
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Die
Transformation der Zeitachse erfolgt bevorzugt derart, dass die
konstante Momentanfrequenz nach der Korrektur der nicht korrigierten
Momentanfrequenz zu Beginn der Messzeit entspricht. Dadurch kann
der Einfluss einer zeitlich veränderlichen
Raumladung ausgeglichen werden und eine bessere Reproduzierbarkeit
der Massenbestimmung bei aufeinander folgenden Messungen erreicht
werden, und zwar insbesondere, wenn die Anzahl der Ionen in den
aufeinanderfolgenden Messungen unterschiedlich ist.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Die 1A bis 1C zeigen
ein Verfahren zum Nachweis einer zeitlichen Parameterdrift in einem
Frequenzmassenspektrometer. In dem Verfahren wird ein detektiertes
Zeitsignal (10) mittels einer Fouriertransformation in
ein Frequenzspektrum umgewandelt und das Phasenspektrum (21b)
einer Frequenzkomponente (21) untersucht, ob das Phasenspektrum
(21b) der Frequenzkomponente (21) von dem Phasenspektrum
eines harmonischen Zeitsignals abweicht.
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Die 2A bis 2D zeigen
ein Verfahren zum Nachweis und zur Korrektur einer zeitlichen Parameterdrift
in einem Frequenzmassenspektrometer. In dem Verfahren wird ein detektiertes
Zeitsignal (30) in eine Kurzzeit-Fouriertransformierte
(40) umgewandelt und daraus eine Momentanfrequenz (50)
bestimmt, die zur Korrektur der Parameterdrift verwendet wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
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Die 1A bis 1C zeigen
den Ablauf für
ein erstes bevorzugtes Verfahren zum Nachweis einer zeitlichen Parameterdrift
in einem Frequenzmassenspektrometer.
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In 1A ist ein detektiertes Zeitsignal (10) schematisch
dargestellt. Nach der Multiplikation mit einer glockenförmigen Fensterfunktion
wird das Zeitsignal (10) durch eine Fouriertransformation
in ein Frequenzspektrum umgewandelt, dessen Amplitudenspektrum (20)
in der 1B dargestellt ist. Eine Multiplikation
mit einem Zeitfenster dient dazu, dass das Amplitudenspektrum einer
einzelnen Frequenzkomponente schnell abfällt und dadurch eine hohe Signaldynamik
im gesamten Amplitudenspektrum erreicht wird. Aus dem Amplitudenspektrum
eines Zeitsignals ist leicht ersichtlich, wie viele Frequenzkomponenten
im Zeitsignal enthalten sind. Das Zeitsignal (10) besteht
in diesem Ausführungsbeispiel
aus vier Fre quenzkomponenten (21 bis 24). Die 1C zeigt nur das Amplitudenspektrum (21a)
der Frequenzkomponente (21) und das dazugehörige Phasenspektrum
(21b) der Frequenzkomponente (21). Das Amplitudenspektrum
(21a) ist wie die verwendete Fensterfunktion glockenförmig (21).
Das Phasenspektrum (21b) weist um das Maximum des Amplitudenspektrums
(21b) einen quadratischen Verlauf auf.
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Wird
in einem idealen Frequenzmassenspektrometer ein Zeitsignal ohne
eine zeitliche Parameterdrift aufgenommen, so hat jede Frequenzkomponente,
die im Zeitsignal enthalten ist, eine konstante Momentanfrequenz
und auch das Phasenspektrum weist zumindest bei der Verwendung einer
gaußförmigen Fensterfunktion
einen konstanten Verlauf auf. Aus den bekannten Tabellen und Rechenregeln der
Fouriertransformation lässt
sich ableiten, dass ein quadratischer Verlauf des Phasenspektrums (21b)
durch eine lineare Frequenzmodulation hervorgerufen wird. Wird das
Phasenspektrum (21b) durch ein Polynom zweiten Grades angenähert, so
kann die Momentanfrequenz aus dem quadratischen Term des Polynoms
quantitativ bestimmt werden.
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Für den Fall,
dass das Phasenspektrum höhere
Terme aufweist oder überhaupt
nicht durch ein Polynom genähert
werden kann oder eine andere Fensterfunktion verwendet wird, besteht
eine allgemeine Möglichkeit,
die Momentanfrequenz einer Frequenzkomponente zu bestimmen. Dazu
wird ein Ausschnitt des Frequenzspektrums um die Frequenzkomponente
vom Frequenzbereich zurück
in den Zeitbereich transformiert. Das so gewonnene Zeitsignal entspricht
der isolierten Frequenzkomponente im Zeitbereich. Die Momentanfrequenz
wird dann aus dem zeitlichen Phasenverlauf des Zeitsignals der isolierten
Frequenzkomponente bestimmt.
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Die 2A bis 2D zeigen
den Ablauf für
ein zweites bevorzugtes Verfahren zum Nachweis und zur Korrektur
einer zeitlichen Parameterdrift in einem Frequenzmassenspektrometer.
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In
der 2A ist ein detektiertes Zeitsignal (30)
schematisch dargestellt. Das Zeitsignal (30) wird in bekannter
Weise mittels einer Kurzzeit-Fouriertransformation umgewandelt.
Eine Kurzzeit-Fouriertransformierte wird erzeugt, indem eine Fensterfunktion,
die eine kleinere zeitliche Ausdehnung als das Zeitsignal aufweist,
entlang der Zeitachse verschoben und mit dem Zeitsignal multipliziert
wird. Die so für
verschiedene Zeiten erhaltenen Ausschnitte des Zeitsignals werden
jeweils in ein Frequenzspektrum umgewandelt, wobei oft nur das Amplitudenspektrum in
Abhängigkeit
von der zeitlichen Verschiebung der Fensterfunktion dargestellt
wird. Eine Kurzzeit-Fouriertransformierte ist wie alle Zeitfrequenzverteilungen
eine zweidimensionale Darstellung eines Zeitsignals, die eine Zeitachse
und Frequenzachse aufweist. Eine Zeitfrequenzverteilung weist im
Gegensatz zu den „reinen” Darstellungen
als Zeitsignal oder Frequenzspektrum sowohl eine zeitliche als auch spektrale
Auflösung
auf.
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In
der 2B ist die Kurzzeit-Fouriertransformierte
(40) des Zeitsignals (30) in Form von Amplitudenspektren
dargestellt. Aus der graphischen Darstellung ist gleichzeitig ersichtlich,
dass das Zeitsignal (30) nur eine Frequenzkomponente enthält und dass
sich deren Mittenfrequenz (50) linear mit der Zeit zu höheren Frequenzen
verschiebt. Die Momentanfrequenz (50) der Frequenzkomponente
kann quantitativ aus dem zeitlichen Verlauf der Maxima der Amplitudenspektren
oder aus dem ersten Frequenzmoment der Kurzzeit-Fouriertransformierten
(40) bestimmt werden.
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Aus
der Momentanfrequenz (50) wird eine Transformationsfunktion
abgeleitet werden, mit der die Zeitachse t des Zeitsignals (30)
derart transformiert wird, dass die Momentanfrequenz der Frequenzkomponente
im transformierten Zeitsignal (31) einen konstanten Verlauf
aufweist. Das transformierte Zeitsignal (31) mit der neuen
Zeitachse t* ist in der 2C dargestellt.
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Die 2D zeigt die Amplitudenspektren (60)
und (61) der beiden Zeitsignale (30) und (31). Durch
die Korrektur ist das Amplitudenspektrum (61) des transformierten
Zeitsignals (31) schmaler als das Amplitudenspektrum (60)
des detektierten Zeitsignals (30). Das Amplitudenspektrum
(61) ist zudem gegenüber
dem Amplitudenspektrum (60) zu kleineren Frequenzen verschoben,
da die Korrektur auf die Momentanfrequenz zum Messbeginn ausgerichtet ist.