DE102008055899A1

DE102008055899A1 - Lineare Ionenfalle als Ionenreaktor

Info

Publication number: DE102008055899A1
Application number: DE102008055899A
Authority: DE
Inventors: Carsten Stoermer
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: US8080788B2; US20100108880A1; DE102008055899B4; GB0919259D0; GB2465067B; GB2465067A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionenspeicher, der für Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen geeignet ist, insbesondere für Fragmentierungsreaktionen durch Elektronentransfer-Dissoziation (ETD). Der Ionenspeicher soll Ionen beider Polaritäten gemeinsam einschließen können. Die Erfindung besteht darin, als Ionenspeicher wie häufig üblich eine lineare Hochfrequenz-Ionenfalle aus einem Multipol-Stabsystem mit endständigen Abschlusselektroden zu verwenden, aber für die Speicherung der Reaktionspartner eine neue, vorteilhafte Betriebsweise durch eine neuartige elektronische Spannungsversorgung anzuwenden. In dieser Betriebsweise liegen, wie ebenfalls üblich, die beiden Phasen einer ersten Hochfrequenzspannung reihum abwechselnd an den Polstäben an und sorgen für ein Einsperren sowohl positiver wie auch negativer Ionen in radialer Richtung. Eine zweite einphasige Hochfrequenzspannung ist aber an alle Polstäbe gemeinsam angeschlossen und ergibt zwischen dem Ende der Polstäbe und den Abschlusselektroden eine axial auf Ionen beider Polaritäten wirkende Pseudopotentialbarriere. Diese Betriebsweise bietet gegenüber bisherigen Lösungen viele Vorteile.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionenspeicher, der für Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen geeignet ist, insbesondere für Fragmentierungsreaktionen durch Elektronentransfer-Dissoziation (ETD). Der Ionenspeicher soll Ionen beider Polaritäten gemeinsam einschließen können.
Die Erfindung besteht darin, als Ionenspeicher wie häufig üblich eine lineare Hochfrequenz-Ionenfalle aus einem Multipol-Stabsystem mit endständigen Abschlusselektroden zu verwenden, aber für die Speicherung der Reaktionspartner eine neue, vorteilhafte Betriebsweise durch eine neuartige elektronische Spannungsversorgung anzuwenden. In dieser Betriebsweise liegen, wie ebenfalls üblich, die beiden Phasen einer ersten Hochfrequenzspannung reihum abwechselnd an den Polstäben an und sorgen für ein Einsperren sowohl positiver wie auch negativer Ionen in radialer Richtung. Eine zweite, einphasige Hochfrequenzspannung ist aber an alle Polstäbe gemeinsam angeschlossen und ergibt an den Enden des Ionenspeichers in der Umgebung der Abschlusselektroden eine axial auf Ionen beider Polaritäten wirkende Pseudopotentialbarriere. Diese Betriebsweise bietet gegenüber bisherigen Lösungen viele Vorteile.
Stand der Technik
Der Begriff „Masse” bezieht sich im Folgenden nicht auf die „physikalische Masse” m, sondern auf die „ladungsbezogene Masse” m/z, wobei z die Anzahl der nicht kompensierten Elementarladungen des Ions ist. Wenn hier an vielen Stellen einfach von „Masse” oder „Masse der Ionen” die Rede ist, so ist darunter immer, wenn es nicht ausdrücklich anders angemerkt ist, der ladungsbezogene Massenanteil m/z zu verstehen. Auch die Begriffe „leichte Ionen” oder „schwere Ionen” beziehen sich auf den ladungsbezogenen Massenanteil m/z.
Die Erforschung der Strukturen, Eigenschaften und Aktivitäten von Proteinen, aber auch von anderen Biopolymeren, beruht weitgehend auf der so genannten Tandem-Massenspektrometrie, die nicht nur Spektren der Mischungen von Proteinionen liefern, sondern auch einzelne Proteinionen bestimmten Reaktionen aussetzen und die Reaktionsprodukte untersuchen kann. Eine besonders interessante und häufig verwendete Art solcher Reaktionen ist die Fragmentierung, in der zunächst „Elternionen” für eine Fragmentierung ausgewählt und dann zu „Tochterionen” fragmentiert werden, so dass die entstehenden Tochterionen in einem Massenspektrum gemessen werden können. Diese Tochterionen-Massenspektren enthalten Aussagen über Primär- und Sekundärstrukturen der Proteine, die nicht nur die genetisch vorgegebene Grundstruktur ihrer Ami nosäuren (die „Sequenz”), sondern auch weitergehende wichtige, weil funktionsändernde Veränderungen („posttranslationale Modifikationen”, PTM) nach Art und Ort erkennen lassen.
Man kann die drei einzelnen Schritte der Tandem-Massenspektrometrie (Auswahl der zu untersuchenden Analytionen; verändernde Reaktionen; Massenanalyse der Reaktionsprodukte) in speichernden Massenspektrometern wie Ionenfallen zeitlich nacheinander in derselben Speichereinheit durchführen („tandem-in-time”), man kann aber auch die Auswahl der zu untersuchenden Analytionen in einem ersten Massenanalysator, dem „Massenselektor”, die Reaktionen in einer besonderen Zelle, und die Massenanalyse in einem zweiten Massenanalysator durchführen („tandem-in-space”). Die Erfindung bezieht sich auf die Ionen speichernde Reaktionszelle in einem solchen Tandem-Massenspektrometer mit räumlich getrenntem Massenselektor und Massenanalysator.
Wegen der hohen Anforderungen an schnellen Messtakt und Massengenauigkeit ist es besonders günstig, die entstehenden Reaktionsprodukte in Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Einschuss der Ionen (OTOF-MS) zu messen. In zweiter Linie kommen wegen ihrer hohen Massenauflösung auch moderne Ausführungen von Kingdon-Ionenfallen oder Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massenspektrometer in Frage, aber nur, wenn die Messgeschwindigkeit eine untergeordnete Rolle spielt, da diese Fourier-Transform-Massenspektrometer einen langsamen Messtakt aufweisen.
Für Fragmentierungen von Proteinen oder ähnlichen Biopolymeren gibt es im Wesentlichen nur zwei grundsätzlich verschiedene Fragmentierungsarten, die „ergodische” und die „elektroneninduzierte” Fragmentierung, für die es aber jeweils viele verschieden günstige Ausführungsformen gibt. Zu den ergodischen Fragmentierungen gehört die Stoßfragmentierung von Ionen durch Stöße mit den Molekülen eines Dämpfungs- oder Stoßgases (CD = collision-induced dissociation), die aber den Mangel eines geringen Massenbereichs aufweist, insbesondere für schwere Ionen. Ein geeigneteres Verfahren ist die Ionenstoß-Fragmentierung. Unter den elektroneninduzierten Fragmentierungen ragt die „Elektronentransfer-Dissoziation” (ETD) heraus, eine fragmentierende Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen.
Die beiden Arten von Fragmentierungen, ergodisch und elektroneninduziert, führen zu zwei wesentlich verschiedenen Arten von Fragmentionenspektren, deren Informationsgehalte zueinander komplementär sind und bei Messung beider Arten von Fragmentionenspektren zu besonders vertieften Aussagen über die Analytionenstrukturen führen. Wie dem Fachmann bekannt, gehören die Bruchstückionen von elektroneninduzierten Fragmentierungen den so genannten c- und z- Reihen an, und sind somit sehr verschieden von den Bruchstückionen der b- und y-Reihen, die durch ergodische Fragmentierungen gewonnen werden. Insbesondere bleiben aber bei der Elektronentransfer-Dissoziation alle Seitenketten erhalten, die bei ergodischer Fragmentierung verloren gehen, darunter die wichtigen posttranslationalen Modifikationen wie Phosphorylierungen, Sulfatisierungen und Glycosilierungen. Aber auch für andere Untersuchungen, beispielsweise für de-novo-Sequenzierungen, ist ein Vergleich von ergodisch und elektroneninduziert gewonnenen Fragmentionenspektren guter Qualität vorteilhaft oder sogar zwingend notwendig.
Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Elektronentransfer-Dissoziation und die für sie notwendige Reaktionszelle, wobei möglichst sowohl ergodische Fragmentierungen, beispielsweise Stoßfragmentierungen, wie auch Elektronentransfer-Dissoziation in derselben Reaktionszelle durchgeführt werden sollen. Beide Arten von Fragmentionenspektren sollten dabei höchsten Qualitätsansprüchen genügen. Ein heutiges Tandem-Massenspektrometer für Bioanalytik muss beide Fragmentierungsarten in möglichst mängelfreien Verfahren anbieten.
Die Elektronentransfer-Dissoziation kann leicht in Ionenfallen durchgeführt werden, in denen positive wie auch negative Ionen gespeichert werden und miteinander reagieren können, indem geeignete negative Ionen zu den gespeicherten positiven Analytionen hinzu eingeführt werden. Verfahren dieser Art sind in den Offenlegungsschriften DE 10 2005 004 324.0 (R. Hartmer und A. Brekenfeld) und US 2005/0199804 A1 (D. F. Hunt et al.) beschrieben.
Die Fragmentierung von Proteinionen durch Elektronentransfer wird in sehr einfacher Weise durch Reaktionen zwischen mehrfach positiv geladenen Proteinionen und geeigneten negativen Reaktantionen erzeugt. Geeignete negative Reaktantionen sind in der Regel besonders ausgesuchte Radikalanionen, beispielsweise solche von Fluoranthen, Fluorenon, Anthracen oder anderen polyaromatischen Verbindungen. Diese Radikalanionen können sehr leicht unter Elektronenabgabe zu einem stabilen neutralen Molekül mit einer abgeschlossenen Elektronenkonfiguration reagieren. Sie werden, wie in den beiden oben zitierten Offenlegungsschriften beschrieben, in NCI-Ionenquellen (NCI = „negative chemical ionization”) durch einfachen Elektroneneinfang oder durch Elektronenübertragung erzeugt. NCI-Ionenquellen sind im Prinzip wie Ionenquellen für chemische Ionisierung (CI-Ionenquellen) aufgebaut, werden aber anders betrieben, um zu großen Mengen niederenergetischer Elektronen zu kommen. Die NCI-Ionenquellen werden auch als Elektronenanlagerungs-Ionenquellen bezeichnet.
Die Radikalanionen geeigneter Substanzen können aber auch direkt oder indirekt in Elektrosprüh-Ionenquellen erzeugt werden, mit denen Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss im Allgemeinen ausgestattet sind. Die indirekte Erzeugung bedeutet, dass zunächst Anionen bestimmter Substanzen generiert werden, die dann durch vorsichtige Stoßfragmentierung in die als Reaktantionen für ETD brauchbaren radikalen Anionen umgewandelt werden („Electron-Transfer Reagent Anion Formation via Electrospray Ionization and Collision-Induced Dissociation", T.-Y. Huang et al., Anal. Chem. 2006, 78, 7387–7391).
Als separate ETD-Fragmentierungszellen in Tandem-Massenspektrometern mit hochauflösenden Massenanalysatoren wurden bisher ausschließlich lineare Ionenfallen („2D-Ionenfallen”) genutzt. Es können ETD-Fragmentierungen zwar auch in dreidimensionalen Ionenfallen („3D-Ionenfallen”) ausgeführt werden, die kommerziellen Ausführungsformen der so benutzten 3D-Ionenfallen beschränken sich aber auf solche Massenspektrometer, die diese 3D-Ionenfalle gleichzeitig und ausschließlich auch als Massenanalysator für die Messung der Fragmentionenspektren verwenden. In ihnen ist eine Überführung der Fragmentionen in einen anderen Massenanalysator nicht vorgesehen und nur mit hohem Aufwand möglich.
In den linearen Ionenfallen werden die frisch eingeführten Elternionen nach der Dämpfung ihrer kinetischen Energie durch das Stoßgas in Form einer fadenartigen Wolke kleinen Durchmessers in der Längsachse des Stabsystems gespeichert. Es werden für Fragmentierungen durch Elektronentransfer mindestens zweifach, möglichst drei-vier- oder fünffach oder noch höher geladene Elternionen ausgesucht; in Grenzfällen werden 10- oder sogar 15fach geladene Elternionen fragmentiert.
Die linearen Ionenfallen sind in der Regel als Multipol-Stabsysteme ausgeführt, als Quadrupol-, Hexapol- oder Oktopol-Stabsyteme mit zwei, drei oder vier Polstabpaaren. Ein Hexapol-Stabsystem ist in 1 dargestellt. An den Polstäben liegen reihum alternierend die beiden gegenpoligen Phasen einer Hochfrequenzspannung und erzeugen im Inneren ein jeweils radial rücktreibendes Pseudopotential. Quadrupol-Stabsysteme zeigen in radialer Richtung einen quadratischen Anstieg des Pseudopotentials, die radialen Schwingungen der (ungedämpften) Ionen sind harmonisch. Unter der Wirkung des Dämpfungsgases sammeln sie sich als fadenförmige Wolke in der Achse des Stabsystems. Als Stoßzellen für Fragmentierungen werden meist Hexapol-Stabsysteme verwendet, die einen kubischen Anstieg des Pseudopotentials und somit einen flacheren Boden der Mulde des Pseudopotentials in der Achse aufweisen. Die fadenförmige Wolke hat wegen der geringeren rücktreibenden Kraft einen etwas größeren Durchmesser.
In dieser Schrift werden alle Systeme, die Ionen radial einschließen, insbesondere auch die Multipol-Stabsysteme, als „Ionenführungssysteme” (englisch: „ion guides”) bezeichnet, da sie in ihrem Inneren Ionen weiterleiten können. In diesem Sinne gehören die linearen Ionenfallen, aber auch Quadrupol-Massenfilter oder die so genannten Ionentrichter zu den Ionenführungssystemen, auch wenn ihrer primärer Zweck ein anderer ist.
Ein „Pseudopotential” ist kein reales Potential, sondern beschreibt nur die zeitlich gemittelte Kraftwirkung eines inhomogenen Hochfrequenzfeldes auf Ionen beiderlei Polarität. Eine Hochfrequenzspannung, die an einer Elektrodenspitze, an einem Draht oder auch an einem Polstab anliegt, erzeugt ein solches inhomogenes elektrisches Feld. Auch ein hochfrequentes Dipolfeld bildet ein Pseudopotential aus, das Ionen vom Dipol wegtreibt. Ionen auf der Achse des Dipols werden zum Zentrum des Dipols getrieben.
Obwohl an Verfahren gearbeitet wird, die Analytionen mit einem stetig durchziehenden Strom von Reaktantionen zur Reaktion zu bringen, erscheint es bislang zweckmäßig, beide Arten von Ionen zeitgleich in einer Reaktionszelle einsperren zu können, um die Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen ungestört und kontrollierbar ablaufen zu lassen. Das Grundprinzip für diese Speicherung ist seit langem bekannt. So ist bereits in der US-Patentschrift 5,572,035 A („Method and Device for the Reflection of Charged Particles an Surfaces”; J. Franzen 1995) angemerkt: ”All types of cylindrical or conical ion guides ... can be used as storage devices if the end openings are barred for the exit of ions by reflecting rf or dc potentials. With rf field reflection, ions of both polarities can be stored. With dc potentials, ion guides store ions of a single polarity only.” (Unterstreichung hinzugefügt). Diese Patentschrift befasst sich sehr allgemein mit der Reflektion von Ionen beider Polaritäten an Pseudopotentialen, die durch inhomogene Hochfrequenzfelder gebildet werden.
Der Einschluss von Ionen in linearen Ionenfallen, die im Sinne dieser Schrift zu den Ionenführungssystemen (ion guides) gehören, durch eine HF-erzeugte Pseudopotentialbarriere ist also seit langem bekannt. Es gibt jedoch verschiedenartige Ausführungsformen. Eine Übersicht bietet der Review-Artikel von Y. Xia und S. A. McLuckey: „Evolution of Instrumentation for the Study of Gas-Phase Ion/Ion Chemistry via Mass Spectrometry", J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 173–189.
Eine Ausführungsform ist in der US-Patentschrift 7,026,613 B2 (J. Syka, 2004) beschrieben. Dabei werden periodische Spannungen an einen ersten Satz von Elektroden angelegt, um ein erstes oszillierendes elektrisches Potential zu erzeugen, das die Ionen radial in einem Ionenkanal einschließt, und periodische Spannungen an einen zweiten Satz von Elektroden, um ein zweites oszillierendes elektrisches Potential zu erzeugen, das die Ionen axial im Ionenkanal einschließt. (Zitat aus der Zusammenfassung: „Periodic voltages are applied to electrodes in the first set of electrodes to generate a first oscillating electric potential that radially confines the ions in the ion channel, and Periodic voltages are applied to electrodes in the second set of electrodes to generate a second oscillating electric potential that axially confines the ions in the ion channel.”). Die komplizierte Ausdrucksweise sagt nichts anderes, als dass ein radial einschließendes Ionenführungssystem (der erste Satz von Elektroden) mit Hilfe von Hochfrequenzspannungen an einem zweiten Satz von Elektroden (notwendigerweise in axialer Richtung getrennt angeordneter Elektroden) durch Errichten einer Pseudopotentialbarriere in axialer Richtung für Ionen beider Polaritäten abgeschlossen wird. Kern dieser Erfindung ist also allein die Einführung von Elektroden für die axial abschließende Hochfrequenzspannung, die in dem obigen Zitat aus dem US-Patent von J. Franzen nicht ausdrücklich erwähnt, aber selbstredend inhärent notwendig sind.
Es soll hier ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die beiden Hochfrequenzspannungen der Erfindung von J. Syka sowohl nach Beschreibung der Offenbarung wie auch nach den Ansprüchen an zwei verschiedenen Sätzen von Elektroden liegen. Das führt aber zu nachteilig geformten Pseudopotentialbarrieren. Liegt die zweite Hochfrequenzspannung an Abschlusselektroden am Ende der Polstäbe, beispielsweise an Lochblenden, so entsteht ein Pseudopotential mit zwei Maxima. Eine Lochblende wirkt wie die Ringelektrode einer dreidimensionalen Ionenfalle und baut einen Speicherraum in Form einer Pseudopotentialmulde in der Ebene der Lochblende auf. Die Potentialmulde des Speicherraums wird beidseitig durch je eine Barriere des Pseudopotentials abgeschlossen. Sind diese Doppelbarrieren durch die Hochfrequenzspannung an der Lochblende eingeschaltet, so ist eine Befüllung schwierig, da immer ein Teil der Ionen in der Potentialmulde des Speicherraums der Lochblende verbleibt. Daher werden Ionenfallen nach bisheriger Technik immer nur mit ausgeschalteten Pseudopotentialbarrieren befüllt, was aber anders konstruierte Ionenfallen zur Lösung der dabei auftretenden Probleme bedingt.
In dem bisher einzigen kommerziell erhältlichen Gerät, in dem ETD in einer linearen Ionenfalle durchgeführt wird, wird deswegen mit einer Ionenfalle gearbeitet, die in drei Teilstrecken segmentiert ist. Die Achsenpotentiale der Teilstrecken lassen sich getrennt einstellen. Dadurch wird es möglich, positive und negative Ionen nacheinander einzubringen und zwischenzeitlich in verschiedenen Teilstrecken der linearen Ionenfalle zu speichern, bevor durch Gleichschalten der Achsenpotentiale die Ionen gemischt und dadurch die Reaktionen eingeleitet werden.
In der Patentschrift US 7,227,130 B2 „Method for Providing Barrier Fields at the Entrance and Exit End of a Mass Spectrometer” (J. W. Hager und F. A. Londry, 2005) werden eingangs- und ausgangsseitige Hilfs-Hochfrequenzspannungen an Abschlusselektroden für eine lineare Ionenfalle aus langen Polstäben angelegt, um Ionen beider Polaritäten in axialer Richtung einzusperren, wobei die Hilfs-Hochfrequenzspannungen von der Haupt-Hochfrequenzspannung an den Polstäben durch Spannungsteiler gewonnen werden. Es liegt hier eine besondere Ausführungsform der Erfindung von J. Syka vor.
Die Patentschrift US 7,288,761 B2 (B. A. Collings, 2005) beschreibt erstmals die Möglichkeit, nicht Elektroden am Ende eines Multipol-Stabsystems mit der axial einsperrenden Hochfrequenzspannung zu belegen, sondern das Achsenpotential des Stabsystems hochfrequent gegenüber der Umgebung schwingen zu lassen. Es entstehen axial wirksame Pseudopotentialbarrieren an den Enden des Multipol-Stabsystems. Für dieses Verfahren wird nur ein einziger Hochfrequenzgenerator gebraucht. Das oszillierende Achsenpotential wird in der Patentschrift entweder durch eine asymmetrische Anordnung der Polstäbe um die Achse oder durch zwei verschiedene Amplituden für mindestens eine der beiden Phasen der Hochfrequenzspannung an den Polstäben erzeugt. Trotz der vorteilhaften Verwendung nur eines Hochfrequenzgenerators ist hier nachteilig, dass die Amplitude des oszillierenden Achsenpotentials nicht einfach an den Massenbereich der einzusperrenden Ionen angepasst werden kann, da dafür entweder die Abstände der Polstäbe voneinander oder der Transformator für die Erzeugung der beiden Amplituden für mindestens eine der beiden Phasen der Hochfrequenzspannung verändert werden müssen. Außerdem müssen im letzteren Fall mehr Spannungsdurchführungen als gewöhnlich verwendet werden, da mindestens zwei Polstäbe einzeln, nicht mehr paarweise gemeinsam, mit Spannungen versorgt werden müssen. Die fadenförmige Wolke der Ionen sammelt sich nicht mehr in der Achse des Polstabsystems. Im ersteren Fall der asymmetrisch angeordneten Polstäbe kann die axial wirkende Pseudopotentialbarriere überhaupt nicht abgeschaltet werden. Auch im zweiten Fall der unsymmetrischen Amplituden der Hochfrequenzspannung ist ein Abschalten schwierig, da die Justierung des Schwingkreises auf Resonanz und hohe Güte bei der Umschaltung auf symmetrische Amplituden gestört wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Reaktionszelle bereitzustellen, die sich leicht und mit hoher Effizienz mit positiven und negativen Ionen befüllen lässt und somit für eine ETD-Fragmentierung geeignet ist, nach Möglichkeit aber auch für Stoßfragmentierungen verschiedener Art verwendet werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung verwendet als Speicher- und Reaktionszelle eine lineare Hochfrequenz-Ionenfalle, bestehend entweder aus einem Multipol-Stabsystem oder aus einem System parallel angeordneter Ringelektroden, beide mit endständigen Abschlusselektroden, in einer bisher nicht bekannten Betriebsweise mit einer neuartigen elektrischen Beschaltung der Polstäbe oder Ringelektroden. Die Beschaltung verwendet zwei einzeln in ihrer Amplitude einstellbare Hochfrequenzspannungen, die beide sich gegenseitig überlagernd jeweils an alle Polstäbe oder Ringelektroden der Ionenfalle, also an nur einen Satz von Elektroden, angelegt werden. Die Ionenfalle kann gleichzeitig positive und negative Ionen speichern, ohne dass den Abschlusselektroden eine Hochfrequenzspannung zugeführt werden müsste. Es entstehen radial und axial wirksame Anstiege der Pseudopotentiale. Die Höhe der axial einsperrenden Barriere des Pseudopotentials ist unabhängig vom radial einschließenden Pseudopotential einstellbar.
In dieser Betriebsweise liegen wie üblich die beiden Phasen einer ersten Hochfrequenzspannung alternierend an den Polstäben oder Ringelektroden an und sorgen für ein Einsperren sowohl positiver wie auch negativer Ionen in radialer Richtung. Die zweite, einphasige Hochfrequenzspannung aber ist an alle Polstäbe oder Ringelektroden gemeinsam angeschlossen und daher im Inneren der Ionenfalle nicht wirksam, erzeugt aber an den Enden des Ionenspeichers in der Umgebung der Abschlusselektroden eine axial wirkende Pseudopotentialbarriere für Ionen beider Polaritäten.
Die Überlagerung der beiden Hochfrequenzspannungen ist leicht herzustellen, indem die zweite, einphasige Hochfrequenzspannung (eines zweiten Hochfrequenzgenerators) dem Mittelabgriff der Sekundärspule für die erste, zweiphasige Hochfrequenzspannung (eines ersten Hochfrequenzgenerators) zugeführt wird, wie in 2 dargestellt. Die Frequenz der zweiten Hochfrequenzspannung kann frei, aber bevorzugt verschieden von der Frequenz der ersten Hochfrequenzspannung gewählt werden, um die Abstimmung der beiden Schwingkreise zu erleichtern. Die beiden Schwingkreise sind, wie dem Fachmann bekannt, durch die Ausgestaltungen der beiden Transformatoren, insbesondere durch die jeweilige Anzahl der Sekundärwicklungen, getrennt und weitgehend unabhängig von einander abstimmbar, insbesondere, wenn die beiden Frequenzen verschieden sind und somit wenig Einfluss auf die Güte des jeweilig anderen Schwingkreises haben.
Für diesen Betrieb ist gegenüber einem Normalbetrieb einer linearen Ionenfalle, die beispielsweise als Stoßzelle für ergodische Ionenfragmentierungen eingesetzt wird, keine zusätzliche Span nungsdurchführung oder sonstige mechanische oder vakuumtechnische Änderung erforderlich. Das Stabsystem wird wie üblich über nur zwei Zuleitungen versorgt, die unabhängig von der Anzahl der Stabpaare des Multipol-Stabsystems reihum alternierend an den Polstäben angeschlossen sind.
Als Abschlusselektrode kann eine Lochblende verwendet werden; es können aber beispielsweise auch die Polstäbe eines anschließenden Ionenführungssystems ohne zwischengeschaltete Lochblende als Abschlusselektroden dienen. An jedem Ende der linearen Ionenfalle entsteht im Bereich dieser Abschlusselektroden jeweils nur eine einzige Barriere des Pseudopotentials, nicht eine Doppelbarriere wie im Falle der Beaufschlagung einer Lochblende mit einer Hochfrequenzspannung. Die lineare Ionenfalle kann daher auch ohne Verluste an Ionen dann befüllt werden, wenn die Pseudopotentialbarriere durch Anlegen der zweiten Hochfrequenzspannung eingeschaltet ist.
Die Ionenfalle kann in dieser Betriebsweise prinzipiell leichter befüllt werden als in bisher bekannten Betriebsweisen. Werden Lochblenden als Abschlusselektroden verwendet, so liegen sie auf Gleichspannungspotential und verursachen keine Störungen in den angrenzenden Ionenführungssystemen, außerdem ist die Form der axial wirksamen Potentialbarriere mit nur einem einzigen Barrieremaximum besonders günstig und die Höhe dieser Barriere leicht elektrisch einstellbar. Die Ionen der beiden Polaritäten können von verschiedenen Seiten her, aber auch zeitlich nacheinander von derselben Seite her in die lineare Ionenfalle eingeführt werden.
Einer der größten Vorteile dieser Betriebsweise besteht darin, dass in einem Massenspektrometer, das bereits eine lineare Ionenfalle als Stoßzelle enthält, keine mechanischen oder vakuumtechnischen Veränderungen vorgenommen werden müssen; die Betriebsweise lässt sich allein durch Änderung der elektronischen Versorgung herstellen. Die negativen Reaktantionen für ETD lassen in vielen Fallen in der gleichen vakuumexternen Elektrosprüh-Ionenquelle herstellen, die auch die positiven Analytionen produziert, so dass ein solches Massenspektrometer allein durch Änderungen der Elektronik aufrüstbar erscheint.
Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt als Beispiel eine einfache Hexapol-Ionenfalle mit zwei Lochblenden (1, 2) als Abschlusselektroden und sechs zylindrisch angeordneten Polstäben (3).
In 2 ist eine erfindungsgemäße Beschaltung der Polstäbe (50) bis (55) einer Hexapol-Ionenfalle über nur zwei Zuleitungen (56) und (57) wiedergegeben. Der Hochfrequenzgenerator (58) mit Primärspule (59) und Sekundärspule (60) erzeugt eine zweiphasige Hochfrequenzspannung, deren beide Phasen den Polstäben reihum abwechselnd zugeführt werden. Der zweite Hochfrequenzgenerator (62) mit Primärspule (63) und Sekundärspule (64) erzeugt eine einphasige Hochfrequenzspannung, die allen Polstäben (50–55) gleichmäßig über den Mittelabgriff (61) der Sekundärspule (60) des ersten Hochfrequenzgenerators (58) zugeleitet wird. Ein Gleichspannungserzeuger (65) liefert das zeitlich gemittelte Achsenpotential der Hexapol-Ionenfalle, gemessen gegenüber dem Massepotential (66).
In 3 sind die Polstäbe (12) einer Reaktions-Ionenfalle durch die Lochblenden (11) und (13) abgeschlossen; in 4 dagegen dienen die benachbarten Ionenführungssysteme (15) und (17) ohne eingefügte Lochblenden als Abschlusselektroden für die Reaktions-Ionenfalle (16).
Die 5 zeigt ein Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss, das in der Kette der verschiedenartig genutzten Ionenführungssysteme (23, 26, 28, 30, 32, 34) eine Reaktions-Ionenfalle (32) mit Zuleitung (35) eines Dämpfungsgases besitzt. Eine Elektrosprüh-Ionenquelle mit zwei Sprüheinrichtungen (20) und (21) kann aus geeigneten Lösungen positive und negative Ionen erzeugen, ohne dass der Lösungszufluss umgeschaltet werden muss. Die Ionen werden von der Einlasskapillare (22) zusammen mit Schutzgas ins Vakuumsystem gesaugt, vom Ionentrichter (23) gesammelt und durch die Lochblende in der Wand (25) dem Ionenführungssystem (26) zugeführt. Die Ionen können im Quadrupolfilter (28) nach Masse selektiert und über das weitere Ionenführungssystem (30) der Reaktions-Ionenfalle (32) zugeführt werden. Als Reaktantionen können Ionen aus einer der Elektrosprüh-Ionenquellen dienen, oder aber Ionen aus einer Elektronen-Anlagerungs-Ionenquelle (24), die in das Ionenführungssystem (26) eingefüttert werden können. Die Reaktionsprodukte werden über das Ionenführungssystem (34) in bekannter Weise dem Pulser (36) des Flugzeitmassenspektrometers zugeführt. Aus dem Ionenstrahl pulst der Pulser (36), wie jedem Fachmann bekannt, einen Abschnitt des Ionenstrahls senkrecht zur Flugrichtung aus, formt ihn zum Ionenstrahl (37), der durch den energiefokussierenden Reflektor (39) hoch nach Massen aufgelöst auf den Detektor (40) geschickt wird. Die Ionenführungssysteme dienen unter anderem zur Führung der Ionen durch die verschiedenen Kammern (25, 27, 29, 31 und 33) eines differentiellen Pumpsystems mit den Pumpen (41) bis (46). Das differentielle Pumpsystem stellt in den verschiedenen Kammern die jeweils notwendigen Drucke her.
6 gibt zwei Computer-Simulationen der Pseudopotentialbarrieren wieder: Im oberen Bild liegt die Hochfrequenzspannung an der endständigen Ringblende an, es gibt eine Doppel barriere. Unten liegt die Hochfrequenzspannung gemeinsam an den Polstäben, wie es dieser Erfindung entspricht, und die endständige Ringblende auf Gleichspannungspotential. Es tritt daher nur eine einfache Barriere des Pseudopotentials auf.
Beste Ausführungsformen
Die Erfindung besteht darin, für die Speicher- und Reaktionszelle eine lineare Hochfrequenz-Ionenfalle mit Multipol-Stabsystem und endständigen Abschlusselektroden zu verwenden, sie jedoch ohne Hochfrequenzspannungen an den Abschlusselektroden mit einer neuartigen elektrischen Beschaltung der Polstäbe zu betreiben und damit eine Reaktionszelle zu schaffen, die nicht nur positive wie negative Ionen speichern und damit zu Reaktionen bringen kann, sondern auch weitere Vorteile aufweist. Im Folgenden werden die Abschlusselektroden einfach als „Lochblenden” bezeichnet, obwohl auch wesentlich andere Formen von Elektroden in Frage kommen, darunter beispielsweise auch die Polstäbe eines anschließenden Ionenführungssystems. Eine Ionenfalle (12) mit Lochblenden (11) und (13) ist in 3, eine Ionenfalle (16) ohne Lochblenden, aber mit anschließenden Ionenführungssystemen (15) und (17) in 4 gezeigt.
Statt der linearen Ionenfalle aus Polstäben kann auch eine lineare Ionenfalle verwendet werden, die aus einer Anzahl parallel angeordneter Ringelektroden aufgebaut ist. Die beiden Hochfrequenzspannungen liegen dann an den Ringelektroden an. Die beiden Phasen der ersten Hochfrequenzspannung liegen jeweils abwechselnd an aufeinanderfolgenden Ringelektroden an; die zweit Hochfrequenzspannung liegt gemeinsam an allen Ringelektroden. Im Folgenden wird auf diese Version der linearen Ionenfalle mit Ringelektroden nicht weiter eingegangen; die Erfindung soll sich aber auch auf sie beziehen.
Die Polstäbe werden durch die neuartige elektrische Beschaltung mit zwei Hochfrequenzspannungen versorgt, wie in 2 gezeigt. Die beiden gegenpoligen Phasen einer ersten Hochfrequenzspannung werden von der Sekundärspule (60) des ersten Hochfrequenzgenerators (58) aus über nur zwei Zuleitungen (56) und (57) wie auch sonst üblich reihum abwechselnd den Polstäben (50–55) zugeführt; dadurch werden positive wie negative Ionen in radialer Richtung einschließbar. Eine zweite einphasige Hochfrequenzspannung aus der Sekundärspule (63) des zweiten Hochfrequenzgenerators (62) ist jedoch über den Mittelabgriff (61) der Sekundärspule (60) mit gleichen Amplituden an alle Polstäbe gemeinsam angeschlossen; dadurch ergibt sich im Bereich zwischen den Enden der Polstäbe und den Lochblenden eine axial wirkende Pseudopotentialbarriere. Das Achsenpotential der Ionenfalle oszilliert mit dieser zweiten Hochfrequenzspannung gegenüber der Umwelt, wovon aber die eingesperrten Ionen nichts merken. Sobald die zweite Hochfrequenzspannung eingeschaltet ist, sind Ionen beider Polaritäten wirksam einschließbar. Dadurch kann die Ionenfalle gleichzeitig positive und negative Ionen speichern, ohne dass den Lochblenden oder anderen Abschlusselektroden eine Hochfrequenzspannung zugeführt werden müsste.
Die Frequenz der zweiten Hochfrequenzspannung kann weitgehend frei gewählt werden, soll aber möglichst von der Frequenz der ersten Hochfrequenzspannung verschieden sein. Die Überlagerung der beiden Hochfrequenzspannungen ist leicht herzustellen, indem die zweite, einphasige Hochfrequenzspannung dem Mittelabgriff (61) der Sekundärspule (60) des Transformators des ersten Hochfrequenzgenerators (58) zugeführt wird. Durch das Durchfließen der beiden Hälften der Sekundärspule in Gegenrichtung kompensieren sich die Magnetfelder und es entsteht keinerlei induktiver Widerstand für die zweite Hochfrequenzspannung. Die beiden Schwingkreise für die erste und die zweite Hochfrequenzspannung, die jeweils aus den Induktivitäten der Sekundärspulen und den Kapazitäten der Zuleitungen und Polstäbe bestehen, können getrennt auf Resonanz und damit auf eine hohe Güte abgestimmt werden, insbesondere, wenn die beiden Frequenzen verschieden gewählt werden und somit wenig Einfluss auf die Güte des jeweils anderen Schwingkreises haben.
Weil nur die beiden Zuleitungen (56) und (57) gebraucht werden, ist für diesen Betrieb gegenüber einem Normalbetrieb einer linearen Ionenfalle, die beispielsweise für Stoßfragmentierungen benutzt wird, keine zusätzliche Spannungsdurchführung erforderlich. Alle Änderungen der elektrischen Schaltungen können außerhalb des Vakuumsystems vorgenommen werden. Gegenüber dem Normalbetrieb einer linearen Ionenfalle ist aber ein weiterer Hochfrequenzgenerator mit zugehörigem Transformator erforderlich. Ein solcher zweiter Hochfrequenzgenerator ist aber auch notwendig für Reaktionskammern, die mit einer Hochfrequenzspannung an den Lochblenden arbeiten, so dass diesen gegenüber kein Nachteil entsteht.
An jedem Ende der erfindungsgemäßen linearen Reaktions-Ionenfalle entsteht im Bereich der Lochblende jeweils nur eine einzige Barriere des Pseudopotentials, nicht zwei Barrieren wie im Falle der Beaufschlagung der Lochblende mit einer Hochfrequenzspannung. 6 zeigt Computer-Simulationen der beiden Fälle. Die lineare Reaktions-Ionenfalle mit einem Betrieb nach dieser Erfindung kann daher auch dann relativ einfach befüllt werden, wenn die Pseudopotentialbarriere durch Anlegen der zweiten Hochfrequenzspannung eingeschaltet ist; die Ionen können dann mit genügend Schwung leicht durch die Lochblende und über die einzeln stehende Barriere des Pseudopotentials hinweg geschoben werden. Die Ionenfalle kann daher in dieser neuen Betriebsweise prinzipiell leichter befüllt werden als in bisher bekannten Betriebsweisen. Außerdem verursachen die auf Gleichspannungspotentialen liegenden Lochblenden keine Störungen in den angrenzenden Ionenführungssystemen; die Ionen können also wie üblich durch eine Kombination aus Achsenpotential des Ionenführungssystems und Potential der Lochblende ihren Schwung erhalten und so eingeschossen werden.
Die beiden Einzelbarrieren des Pseudopotentials an beiden Enden des Stabsystems sind bei symmetrischer Ausführung und Anordnung der Lochblenden gleich hoch; sie können jedoch durch geometrische Veränderungen der Lochdurchmesser oder der Abstände zwischen Lochblenden und Polstäben auf grundsätzlich verschiedene Höhe gebracht werden; die verschiedenen Höhen sind aber nicht während des Betriebes auf andere Verhältnisse justierbar.
Zum Verständnis der neuen Betriebsweise soll hier angemerkt werden, dass eine kurze lineare Ionenfalle mit vielen relativ kurzen Polstäben zwischen zwei Lochblenden großen Durchmessers im Betrieb nach dieser Erfindung als dreidimensionale Ionenfalle begriffen werden kann: Die vielen Polstäbe mit der gemeinsam anliegenden zweiten Hochfrequenzspannung bilden die Ringelektrode, und die beiden Lochblenden bilden die Endkappenelektroden. Die zusätzliche erste Hochfrequenzspannung verstärkt die rücktreibenden Kräfte in der Nähe der Polstäbe. Eine so geformte Ionenfalle ist aber so schwierig zu befüllen wie eine normale dreidimensionale Ionenfalle.
Viel leichter mit Ionen zu befüllen ist dagegen eine Reaktions-Ionenfalle mit langen Polstäben, die daher eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Der Grund dafür ist, dass die axial eingeschossenen Ionen in der langen Wegstrecke durch das Dämpfungsgas bei günstigem Druck so weit abgebremst werden können, dass sie nach einer Reflektion an der rückwärtigen Lochblende die Potentialbarriere an der vorderen Lochblende nicht mehr übersteigen können.
Für die Befüllung werden die Ionen axial über Potentialbarrieren an den Lochblenden hinweg eingeschossen. Die Potentialbarrieren können Gleichspannungsbarrieren sein, dann können Ionen aller Massen, aber nur einer Polarität gleichzeitig eingeschossen und eingefangen werden. Die Potentialbarrieren können aber auch aus Pseudopotentialen bestehen, die durch die zweite Hochfrequenzspannung zwischen Polstäben und Lochblenden erzeugt werden. In diesem Fall ist es günstig, nur Ionen eines sehr kleinen Massenbereichs einzuschießen, da die Potentialbarriere für Ionen verschiedener Massen verschieden hoch erscheint, die Ionen aber für ein erfolgreiches Einfangen nicht mehr kinetische Energie besitzen sollen als für das Übersteigen der Barriere gerade so eben notwendig ist. Für die Reaktionen zwischen positiven und negativen Ionen werden im Allgemeinen die Ionen vorher nach Masse so ausgewählt, dass die Produktionen einfach interpre tierbar bleiben. Es werden somit im Allgemeinen sowohl die positiven Ionen wie auch die negativen jeweils einem nur kleinen Massenbereich angehören, der eigentlich nur die jeweilige Isotopengruppe der zu fragmentierenden Analytionen oder der Reaktantionen umfasst.
Zum Speichern der Ionen nach ihrer Thermalisierung durch das Dämpfungsgas kann die Höhe der axial wirkenden Pseudopotentialbarriere sehr niedrig sein, da die Ionen nur durch ihre thermische Geschwindigkeit entweichen können. Hinzu kommt allenfalls eine Kraftkomponente durch die Raumladung in der Ionenfalle. Während des Prozesses des Einspeicherns kann es allerdings erforderlich sein, eine etwas höhere Barriere einzustellen.
Für das Einbringen der Ionen beider Polaritäten können verschiedene Verfahren gewählt werden.
In einem bevorzugten ersten Verfahren wird die erste Ionensorte in üblicher Weise über Gleichspannungsbarrieren hinweg eingebracht, wobei die Gleichspannungsbarrieren durch Gleichspannungen an den Lochblenden erzeugt werden. Die Barriere des Pseudopotentials ist ausgeschaltet. Die Ionen werden mit einer Energie eingeschossen, die sie gerade so eben über die Gleichspannungsbarriere hinweg in die Ionenfalle schiebt. Auf dem Wege zur ausgangsseitigen Lochblende verlieren die Ionen durch Stöße einen Teil ihrer kinetischen Energie, wodurch sie die hier vorhandene, in der Regel gleich hohe Potentialbarriere nicht übersteigen können. Sie werden reflektiert und kehren zur eingangsseitigen Lochblende zurück, deren Barriere sie aber ebenfalls nicht mehr übersteigen können. Ist die Dämpfung der Ionenenergie durch einen zu niedrigen Druck des Dämpfungsgases sehr klein, so kann in üblicher Weise der Einfang verbessert werden, indem die ausgangsseitige Barriere etwas höher gewählt wird als die eingangsseitige, beispielsweise durch eine höhere Gleichspannung an der Lochblende, oder indem die Höhe beider Barrieren dynamisch laufend erhöht wird. Die dynamische Erhöhung muss beendet werden, bevor die gleichfalls zu erhöhenden Einschussenergien der Ionen zu Stoßfragmentierungen führen, kann aber nach Dämpfung der Ionen wiederholt werden.
In diesem ersten Verfahren werden nach Thermalisierung der eingebrachten Ionen der ersten Ionensorte dann die Gleichspannungsbarrieren durch Pseudopotentialbarrieren ersetzt, um die zweite Ionensorte einzubringen. Die zweite Ionensorte, die eine andere Polarität hat als die erste, wird nun über die Pseudopotentialbarriere hinüber geschoben. Dazu wird ihnen durch die Differenz zwischen dem Achsenpotential des vorausgehenden Ionenführungssystems und dem Gleichspannungspotential der Lochblende eine solche Energie gegeben, dass sie die Pseudopotentialbarriere übersteigen können. Da die Ionen dabei mit der Frequenz der zweiten Hochfrequenzspannung durchgeschüttelt werden, muss auch hier die Höhe der Barriere so niedrig wie möglich gewählt werden, um Stoßfragmentierung zu vermeiden. Da die Höhe der Barriere für die Ionen massenabhängig ist, muss für jede Ionensorte ein optimale Höhe gewählt werden. Beim Abstieg von der Barriere erhalten die Ionen zusätzliche kinetische Energie. Haben die Ionen den Innenraum der Ionenfalle erreicht, so werden sie allerdings sehr schnell thermalisiert, weil die bereits gespeicherten Ionen entgegengesetzter Polarität mit ihrem großen Wirkungsquerschnitt für richtungsändernde Vorbeiflüge beträchtlich zu einer schnellen Thermalisierung beitragen.
In einem zweiten Verfahren werden beide Arten von Ionen über die Pseudopotentialbarriere hinweg eingebracht. Dabei ist es zweckmäßig, zuerst die leichteren Ionen einzubringen.
Für die Bestimmung der Zeiten für eine optimale Befüllung der Reaktions-Ionenfalle gibt es verschiedene bekannte Verfahren, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Die Füllzeiten bewirken eine Füllung mit einer optimalen Anzahl von Elternionen. Dabei wird im Wesentlichen die Zahl der Ladungen innerhalb der Ionenfalle gesteuert; für ein optimales Verhalten bei der Spektrennahme spielen auch noch andere Parameter eine Rolle, doch soll hier auf Einzelheiten nicht eingegangen werden. Für die Befüllung mit negativen Ionen ist dagegen im Allgemeinen nur ein einziges Mal eine optimale Befüllungszeit zu ermitteln, da immer etwa die gleiche Menge an negativen Ionen gebraucht wird, um mit einer feststehenden Anzahl von positiven Elternionen optimal zu reagieren.
Die lineare Reaktions-Ionenfalle, die der Erfindung zugrunde liegt, kann vielfältig verfeinert werden. So können beispielsweise gewölbte Lochblenden eingesetzt werden, die die axial wirkende Barriere verstärken, so dass für die zweite Hochfrequenz eine geringere Spannung gewählt werden kann. Gewölbte Lochblenden können dabei der Form von Endkappenelektroden für dreidimensionale Ionenfallen ähnlich gemacht werden.
Es können jedoch an den Enden der Polstäbe Abschlusselektroden in Form von Lochblenden auch völlig fehlen; als Abschlusselektroden können dann, wie in 4 dargestellt, die Polstäbe von anschließenden Ionenführungssystemen dienen, also die Polstäbe von anschließenden Multipol-Stabsystemen, die die Ionen der linearen Reaktions-Ionenfalle zuführen oder die Produktionen dem Massenanalysator zuleiten.
Die Polstäbe der linearen Reaktions-Ionenfalle können auch mit einer isoliert aufgebrachten Schicht hochohmigen Materials versehen sein. Es ist dann möglich, durch an sich bekannte Schaltungen einen Gleichspannungsgradienten längs der Achse der Ionenfalle zu erzeugen. Es sind dafür Spannungszuführungen an jeweils beiden Enden der Polstäbe notwenig. Wird nach der Reaktionsperiode dieser Spannungsgradient eingeschaltet, so werden die positiven Produktionen und die restlichen negativen Reaktantionen auseinander getrieben und getrennt den beiden Enden der Ionenfalle zugeführt; die Reaktionen können damit zu einem günstigen Zeitpunkt schnell abgebrochen und die Produktionen beschleunigt dem Massenanalysator zugeführt werden. Ein solcher Spannungsgradient kann aber auch bei der Befüllung der Ionenfalle helfen. Mit ihm ist es möglich, die Ionenfalle ohne Einschalten der axialen Pseudopotentialbarriere mit beiden Ionensorten zu befüllen, weil die beiden Ionensorten getrennt voneinander an den beiden Enden der Ionenfalle aufbewahrt werden können, wenn die abschließenden Lochblenden mit entsprechend einschließenden gegenpoligen Gleichspannungspotentialen versorgt werden.
Wird statt der Gleichspannung an der hochohmigen Schicht eine Wechselspannung angelegt, so können mit ihr Ionen zu axialen Schwingungen und somit zu sachten Stößen mit dem Dämpfungsgas gezwungen werden. Solche Energiezufuhr durch relativ energiearme Stöße ist bei der Elektronentransfer-Dissoziation manchmal notwendig, um nach der Übertragung eines Elektrons steckengebliebene Dissoziationsreaktionen zu vollenden.
Es kann die Ionenfalle aber auch durch segmentierte Polstäbe in Teilstrecken segmentiert werden, in denen sich jeweils verschiedene Achsenpotentiale einstellen lassen. Eine segmentierte Ionenfalle lässt sich mit den Techniken nach dem Stande der Technik befüllen.
Ein elektronisch beschlagener Fachmann kann zusätzlich zu den beiden Hochfrequenzspannungen, die der Erfindung zugrunde liegen, weitere Anregungsspannungen an die Polstäbe anlegen, um mit ihnen Ionen radial anzuregen. Solche radialen Anregungen können für zusätzliche Stoßprozesse verwendet werden, wie sie beispielsweise für steckengebliebene Dissoziationsreaktionen gebraucht werden.
Mit solchen radialen Anregungsspannungen können auch gezielt Ionen ausgewählter Massen durch Anregung in Resonanz aus der Ionenfalle herausgeworfen werden. Damit wird es beispielsweise möglich, die zu fragmentierenden Elternionen auszuwählen und zu isolieren, bevor die Reaktantionen eingeführt werden.
Die negativen Reaktantionen (Radikalanionen) für die Elektronentransfer-Dissoziation werden in einer bevorzugten Ausführungsform in besonderen Elektronen-Anlagerungs-Ionenquellen (24) erzeugt, die, wie in 5 gezeigt, in das Vakuumsystem des Massenspektrometers eingebaut werden. Die Reaktantionen können dann in ein Ionenführungssystem (26) aus der Kette von Ionenführungssystemen (23, 26, 28, 30) eingespeist, die auch die positiven Analytionen zur Re aktionszelle bringen. Die Verwendung einer besonderen Elektronen-Anlagerungs-Ionenquelle (24) ist besonders bequem, da sie stets vorhanden ist und betriebsbereit gehalten werden kann. Sie kann optimal auf die Herstellung von radikalen Anionen einer bevorzugten Substanz eingerichtet werden.
Es wurde jedoch auch schon mehrfach gezeigt, dass Radikalanionen von geeigneten Substanzen in üblichen Elektrosprüh-Ionenquellen hergestellt werden können. Diese müssen mit Sprühspannungen für die Erzeugung von negativen Ionen betrieben werden. Es gibt bereits Elektrosprüh-Ionenquellen mit mehreren Sprüheinrichtungen, wie beispielsweise (20) und (22) in 5, so dass kein Umschalten der Flüssigkeitszufuhr notwendig ist.
In einer oben zitierten Arbeit wurde gezeigt, dass es möglich ist, in einer Elektrosprüh-Ionenquelle nichtradikale Anionen bestimmter Substanzen herzustellen, die dann erst in einer Stoßzelle zu radikalen Tochteranionen fragmentiert werden, in der Regel durch eine Abspaltung von Kohlendioxid aus einer Säuregruppe. Auch dieses Verfahren lässt sich in einem Massenspektrometer nach 5 durchführen.
Die 5 zeigt ein Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss, das in der Kette der Ionenführungssysteme (23, 26, 28, 30, 32, 34) eine Reaktions-Ionenfalle (32) mit Zuleitung (35) für ein besonderes Dämpfungsgas besitzt. Die Elektrosprüh-Ionenquelle ist mit zwei Sprüheinrichtungen (20) und (21) versehen und kann aus geeigneten Lösungen positive und negative Ionen erzeugen, ohne dass der Lösungszufluss umgeschaltet werden muss.
Die Ionen werden von der Einlasskapillare (22) zusammen mit Schutzgas ins Vakuumsystem gesaugt, vom Ionentrichter (23) gesammelt und durch die Lochblende in der Wand (25) dem Ionenführungssystem (26) zugeführt. Die Ionen können im Quadrupolfilter (28) nach Masse selektiert und über das weitere Ionenführungssystem (30) der Reaktions-Ionenfalle (32) zugeführt werden.
Als Reaktantionen können Ionen aus einer der beiden Elektrosprüh-Einrichtungen (20) oder (21) dienen, oder aber Ionen aus der Elektronen-Anlagerangs-Ionenquelle (24), die in das Ionenführungssystem (26) eingefüttert werden können.
Nach der Reaktionsperiode können die Reaktionsprodukte über das Ionenführungssystem (34) in bekannter Weise dem Pulser (36) des Flugzeitmassenspektrometers zugeführt werden. Der Betrieb von Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss ist dem einschlägigen Fachmann gut bekannt. Aus dem Ionenstrahl pulst der Pulser (36) einen Abschnitt des Ionen strahls senkrecht zur Flugrichtung aus, formt ihn zum Ionenstrahl (37), der durch den energiefokussierenden Reflektor (39) nach Massen hoch aufgelöst auf den Detektor (40) geschickt wird.
Die Ionenführungssysteme dienen zur Führung der Ionen durch die verschiedenen Kammern (25, 27, 29, 31 und 33) eines differentiellen Pumpsystems mit den Pumpen (41) bis (46). Das differentielle Pumpsystem stellt in den verschiedenen Kammern die jeweils notwendigen Drucke her.
Ein Verfahren zur Aufnahme eines Fragmentionenspektrums erfordert es im Allgemeinen, dass zunächst ein erstes Massenspektrum der unfragmentierten Analytionen aufgenommen wird und eine Übersicht über die Verdaupeptide gibt. Soll jetzt ein Peptid auf seine Sequenz aus Aminosäuren hin untersucht werden, so befüllt man die Reaktions-Ionenfalle mit dreifach, vierfach oder fünffach geladenen Ionen dieses Peptids, wobei man die Ionensorte im Massenfilter (28) aussucht und isoliert. Die Anzahl der Ladungen erkennt man am Abstand der Isotopenlinien voneinander, der beispielsweise für dreifach geladene Ionen genau 1/3 atomare Masseneinheit beträgt.
Die mehrfach geladenen Elternionen für die Fragmentierung, werden durch eine kurze Wartezeit von einigen Millisekunden durch das Stoß- oder Dämpfungsgas, das über die Zuleitung (35) eingefüllt wird, wieder in das Zentrum der Reaktions-Ionenfalle (32) hinein abgebremst. Als Stoßgas wird in Reaktions-Ionenfallen meist Stickstoff, manchmal aber auch Helium, mit einem Druck von etwa 10^–2 Pascal verwendet; der Druck kann in Sonderfällen auch bis zu zwei Größenordnungen höher gewählt werden. Die mehrfach geladenen Elternionen bilden dort eine kleine fadenförmige Wolke, deren Durchmesser von der Anzahl der gespeicherten Ionen, aber auch von der Höhe der Hochfrequenzspannung für den radialen Einschluss abhängt. Sie kann bei niedriger Hochfrequenzspannung und hoher Anzahl von 20000 bis 50000 eingefüllten Elternionen durchaus etwa ein bis zwei Millimeter betragen.
Sodann werden die negativ geladenen Radikalanionen hinzugefügt. Diese Ionen werden hier in einer gesonderten Ionenquelle (24) für negative chemische Ionisierung erzeugt und zu einer Ionenweiche geführt, wo sie in das Ionenleitsystem (26) eingefädelt werden. Die Ionenweiche besteht in der hier gezeigten Ausführung einfach aus einer Verkürzung zweier Stäbe des stabförmigen Ionenleitsystems (26). Besonders günstig für diese sehr einfache Art einer Ionenweiche ist es, wenn das Ionenleitsystem als Hexapol- oder Oktopol-Stabsystem ausgeführt ist. Diese Ionenweiche kann die Analytionen der Elektrosprüh-Ionenquelle (20, 21) bei geeigneten Spannungen an der in der Wand (25) eingefügten Blende ungehindert durchlassen, mit anderen Spannungen werden die negativen Radikalanionen aus der Ionenquelle (24) in das Ionenleitsystem (26) hinein reflektiert. Über dieses Ionenführungssystem (26) und weitere Ionenführungssysteme (28) und (30) gelangen sie zur Reaktions-Ionenfalle (32) und werden dort wie oben beschrieben eingespeichert. Sie reagieren dabei sofort (innerhalb einiger Zehn Millisekunden) mit den positiven Elternionen unter meist spontanem Zerfall.
Die Reaktions-Ionenfalle mit dem erfindungsgemäßen Betrieb zum Speichern von Ionen beider Polaritäten lässt sich aber nicht nur für die Fragmentierung durch Elektrontransfer-Dissoziation verwenden, sondern auch für ergodische Fragmentierungen. So kann durch Einschießen mit genügend kinetischer Energie ein Zerfall durch genügend viele Stöße mit den Stoßgasmolekülen bewirkt werden, wobei in jedem Stoß die innere Energie der Ionen ein wenig erhöht wird. Diese Stoßfragmentierung hat aber auch Nachteile: so ist insbesondere der Massenbereich für die Fragmentionen stark eingeschränkt, und es können schwere Ionen kaum fragmentiert werden, da bei ihnen die Kühlung durch das Stoßgas überwiegt.
Es sind jedoch auch andere Arten von ergodischen Fragmentierungen möglich. So kann beispielsweise durch den Einbau einer weiteren entsprechenden Ionenquelle für die Erzeugung von negativen Jodionen in die Apparatur nach 5 eine ergodische Fragmentierung von positiv geladenen Protein-Elternionen herbeigeführt werden. Durch den Einschuss dieser Jodionen in die Reaktions-Ionenfalle werden die stationär gespeicherten Elternionen so gestoßen, dass sie in jedem Stoß größere Energiemengen aufnehmen und so relativ rasch zum ergodischen Zerfall gelangen. Es kann hiermit ein Fragmentionenspektrum hoher Qualität mit großem Massenbereich aufgenommen werden. Auch die Fragmentierung von Proteinionen mit physikalischer Masse über etwa 3000 Dalton ist möglich. Es stehen somit in diesem Tandem-Massenspektrometer beide Arten der Fragmentierung in jeweils hoher Qualität zur Verfügung; ideal für die Untersuchung von posttranslationalen Modifikationen und vielen anderen Struktureinzelheiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005004324 [0010]
- US 2005/0199804 A1 [0010]
- US 5572035 A [0018]
- US 7026613 B2 [0020]
- US 7227130 B2 [0023]
- US 7288761 B2 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Electron-Transfer Reagent Anion Formation via Electrospray Ionization and Collision-Induced Dissociation”, T.-Y. Huang et al., Anal. Chem. 2006, 78, 7387–7391 [0012]
- Review-Artikel von Y. Xia und S. A. McLuckey: „Evolution of Instrumentation for the Study of Gas-Phase Ion/Ion Chemistry via Mass Spectrometry”, J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 173–189 [0019]

Claims

Lineare Ionenfalle mit Polstäben oder Ringelektroden und einem Generator für eine erste Hochfrequenzspannung, deren Phasen abwechselnd an jeweils benachbarten Polstäben oder Ringelektroden der Ionenfalle anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Hochfrequenzgenerator eine zweite, einphasige Hochfrequenzspannung liefert, die allen Polstäben oder Ringelektroden der Ionenfalle gleichmäßig zugeführt wird.
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochfrequenzgenerator einen Transformator mit einem Mittelabgriff der Sekundärspule besitzt, und dass die zweite, einphasige Hochfrequenzspannung an diesem Mittelabgriff angeschlossen ist.
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, einphasige Hochfrequenzspannung abschaltbar ist.
Lineare Ionenfalle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie an ihren beiden Enden Abschlusselektroden besitzt
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusselektroden die Form von Lochblenden haben.
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblenden gewölbt sind.
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusselektroden die Form von sich anschließenden Ionenführungssystemen haben.
Lineare Ionenfalle mit Polstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstäbe mit einer isoliert aufgebrachten hochohmigen Schicht versehen sind und dass eine Einrichtung zur Spannungsversorgung einen Potentialgradienten längs der Polstäbe erzeugen kann.
Lineare Ionenfalle mit Ringelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Spannungsversorgung einen Potentialgradienten längs der Ringelektroden erzeugen kann.
Lineare Ionenfalle mit Polstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenfalle durch eine Segmentierung der Polstäbe in Segmente eingeteilt ist.
Lineare Ionenfalle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Versorgung der Polstäbe mit Spannungen in den Segmenten der Ionenfalle getrennt einstellbare Achsenpotentiale liefern kann.
Verfahren zum Befüllen einer Ionenfalle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit positiven und negativen Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ionensorten zeitlich nacheinander in die Ionenfalle eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ionensorte bei abgeschalteter Pseudopotentialbarriere über eine Gleichspannungsbarriere hinweg eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ionensorten nacheinander über Pseudopotentialbarrieren verschiedener Höhe hinweg eingefüllt werden.