DE102009050039A1

DE102009050039A1 - ICR-Messzelle mit parabolischem Trappingprofil

Info

Publication number: DE102009050039A1
Application number: DE200910050039
Authority: DE
Inventors: Ivan Krasnogorsk Boldin; Evgenij N. Nikolaev
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: DE102009050039B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Aufnahme von Massenspektren höchster Massenauflösung in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern. Die Erfindung gibt eine zylindrische ICR-Messzelle mit einer besonderen Elektrodenkonfiguration für Trapping-Potentiale wieder. Der Zylindermantel der Messzelle ist in Längsrichtung in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt, jedoch nicht durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Trennspalte, wie bisher üblich, sondern durch vorzugsweise parabolisch geformte Trennspalte, wodurch zigarrenförmige und dreieckige Mantelelektroden entstehen. Geeignete Gleichspannungen an den Mantelelektroden erzeugen im Inneren des Zylinders eine komplizierte Potentialverteilung, die für kreisende Ionen im zeitlichen Mittel in Achsenrichtung parabolisch geformt und in radialer Richtung praktisch konstant ist. Die auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken werden durch die entstehende Potentialverteilung über längere Zeit als bisher zusammengehalten. Es ergeben sich somit aus den Bildströmen Transienten hoher Güte, woraus Massenspektren mit höchster Massenauflösung gewonnen werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Aufnahme von Massenspektren höchster Massenauflösung in Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern.
Die Erfindung gibt eine zylindrischen ICR-Messzelle mit einer besonderen Elektrodenkonfiguration für Trapping-Potentiale wieder. Der Zylindermantel der Messzelle ist in Längsrichtung in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt, jedoch nicht durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Tennspalte, wie bisher üblich, sondern durch vorzugsweise parabolisch geformte Trennspalte, wodurch zigarrenförmige und dreieckige Mantelelektroden entstehen. Geeignete Gleichspannungen an den Mantelelektroden erzeugen im Inneren des Zylinders eine komplizierte Potentialverteilung, die für kreisende Ionen im zeitlichen Mittel in Achsenrichtung parabolisch geformt und in radialer Richtung praktisch konstant ist. Die auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken werden durch die entstehende Potentialverteilung über längere Zeit als bisher zusammengehalten. Es ergeben sich somit aus den Bildströmen Transienten hoher Güte, woraus Massenspektren mit höchster Massenauflösung gewonnen werden können.
Stand der Technik
In Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern (ICR-MS) werden die ladungsbezogenen Massen m/z der Ionen durch die Frequenzen der Umlaufbewegungen von Wolken kohärent fliegender Ionen in ICR-Messzellen gemessen, die sich in einem homogenen Magnetfeld hoher Feldstärke befinden. Die Umlaufbewegung besteht normalerweise aus Überlagerungen von Zyklotron- und Magnetron-Bewegungen, wobei die Magnetron-Bewegungen die Messung der Zyklotronfrequenzen leicht verfälschen. Das Magnetfeld wird durch supraleitende Magnetspulen erzeugt, die mit flüssigem Helium gekühlt werden. Kommerzielle Massenspektrometer bieten heute nutzbare Durchmesser der ICR-Messzellen bis etwa 6 Zentimeter bei magnetischen Feldstärken von 7 bis 18 Tesla.
Die Ionenumlauffrequenz wird in den ICR-Messzellen im homogensten Teil des magnetischen Feldes gemessen. Meist werden kreiszylindrische Messzellen verwendet. Die ICR-Messzellen bestehen nach meist gebräuchlicher Technik aus vier Längselektroden, die entlang der Messzelle eine gleich bleibende Breite aufweisen, sich parallel zu den magnetischen Feldlinien erstrecken und den Innenraum der Messzelle mantelförmig umschließen, wie zeigt. Üblicherweise werden zwei gegenüberstehende Längselektroden dazu verwendet, achsennah eingebrachte Ionen durch Anlegen einer Wechselspannung auf größere Umlaufbahnen ihrer Zyklotron-Bewegung anzuregen, wobei Ionen jeweils gleicher ladungsbezogener Masse m/z möglichst kohärent angeregt werden und phasengleich als Wolke umlaufen. Die beiden anderen Längselektroden dienen dazu, den Umlauf der Ionenwolken durch ihre Bildströme, die im Vorbeiflug der Ionenwolken in den Elektroden induziert werden, zu messen. Einfüllen der Ionen in die Messzelle, Ionenanregung und Ionendetektion erfolgen, wie jedem einschlägigen Fachmann bekannt, in aufeinander folgenden Verfahrensphasen.
Weil das Verhältnis m/z der Masse m zur Anzahl z der Elementarladungen der Ionen (im Folgenden einfach als „ladungsbezogene Masse”, manchmal einfach auch nur als „Masse” bezeichnet) vor der Messung unbekannt ist, erfolgt die Anregung der Ionen durch eine möglichst homogene Mischung von Anregungsfrequenzen. Die Mischung kann dabei eine zeitsequentielle Mischung mit zeitlich ansteigenden Frequenzen sein (man spricht dann von einem „Chirp”), oder sie kann eine synchrone, durch Computer berechnete Mischung aller Frequenzen sein (einem „Synch-Pulse”). Meist werden Chirps benutzt.
Die Bildströme, die durch die umlaufenden Ionenwolken in den Detektionselektroden induziert werden, bilden als Funktion der Zeit einen sogenannten „Transienten”. Der Transient ist ein „Zeitdomänensignal” und nimmt in der Regel in wenigen Sekunden so weit ab, dass nur noch Rauschen übrig bleibt. In Messzellen klassischer Konstruktion beträgt die Länge des nutzbaren Transientens nur etwa vier Sekunden. Wenn im Folgenden einfach der Begriff der „Dauer” eines Transienten verwendet wird, so ist damit immer die „nutzbare Dauer” gemeint.
Die Bildströme der Transienten werden verstärkt, digitalisiert und durch Fourier-Analyse auf die darin vorkommenden Umlauffrequenzen der Ionenwolken verschiedener Massen untersucht. Die Fourier-Analyse transformiert dabei die Folge der originären Bildstrom-Messwerte des Transienten aus der „Zeitdomäne” in eine Folge von Frequenzwerten in einer „Frequenzdomäne”. Man spricht deshalb auch von Fourier-Transformations-Massenspektrometrie (FTMS), wobei jedoch anzumerken ist, dass es heute auch andere Arten von Massenspektrometern der FTMS gibt, die nicht auf dem Umlauf von Ionen in Magnetfeldern beruhen. Aus den als Peaks in der Frequenzdomäne erkennbaren Frequenzsignalen (Frequenzposition und Signalhöhe) der verschiedenen Ionensorten werden dann ihre ladungsbezogenen Massen m/z und ihre Intensitäten bestimmt. Wegen der hohen Konstanz der verwendeten Magnetfelder und wegen der hohen Messgenauigkeit für Frequenzmessungen kann eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit der Massenbestimmung erzielt werden. Gegenwärtig ist die Fourier-Transformations-ICR-Massenspektrometrie (korrekt abgekürzt FT-ICR-MS) die genaueste aller Arten von Massenspektrometrie. Die Genauigkeit der Massenbestimmung ist letztendlich von der Anzahl der Ionenumläufe abhängig, die durch die Messung erfasst werden können, also von der nutzbaren Dauer des Transienten.
Wenn im Folgenden der Begriff „Aufnahme eines ICR-Massenspektrums” oder eine ähnliche Formulierung verwendet wird, so umfasst das, wie jedem einschlägigen Fachmann bekannt, die gesamte Folge von Schritten über die Füllung der ICR-Messzelle mit Ionen, Anregung der Ionen zu Zyklotronbahnen, Messung des Bildstrom-Transienten, Digitalisierung, Fourier-Transformation, Bestimmung der Frequenzen der einzelnen Ionensorten und schließlich Berechnung der ladungsbezogenen Massen und Intensitäten der Ionensorten, die das Massenspektrum darstellen.
Für das Einführen der Ionen in die ICR-Messzelle und besonders für ihr Einfangen gibt es verschiedene Verfahren, wie beispielsweise das „side-kick”-Verfahren oder das Verfahren des dynamischen Einfangens mit einer Potentialerhöhung, die hier aber nicht näher besprochen werden. Der einschlägige Fachmann kennt diese Verfahren.
Eine genaue Massenbestimmung ist in der modernen Biomassenspektrometrie (massenspektrometrische Analysen von biologischen Molekülen) außerordentlich wichtig. Es ist keine Grenze für die Massengenauigkeit bekannt, jenseits der keine weitere Erhöhung eines nutzbaren Informationsgehaltes mehr zu erwarten wäre. Die Erhöhung der Massengenauigkeit ist daher ein ständig weiter zu verfolgendes Ziel. – Eine hohe Massengenauigkeit allein reicht aber häufig nicht für die Lösung einer vorgegebenen analytischen Aufgabe aus. Neben der hohen Massengenauigkeit ist besonders ein hohes Massenauflösungsvermögen entscheidend, da gerade in der Biomassenspektrometrie sehr häufig Ionensignale mit sehr geringen Massenunterschieden getrennt nachgewiesen und gemessen werden müssen. So kommen beispielsweise bei enzymatischem Verdau von Proteinmischungen in einem Massenspektrum Tausende von Ionen vor; häufig müssen in einem kleinen Intervall um eine nominale Massenzahl herum fünf bis zehn oder mehr verschiedene Ionensorten getrennt und präzise vermessen werden. Bei der Analyse von Rohpetroleum kommt es vor, dass bei einer nominalen Masse weit über hundert Ionensorten getrennt gemessen werden.
In den bis heute üblichen kreiszylindrischen Messzellen wird der Zylinder aus vier Längselektroden gebildet, wie in dargestellt. Kreiszylindrische Messzellen werden vor allem deshalb am häufigsten benutzt, weil sie die beste Ausnutzung des Volumens des magnetischen Feldes in einer runden Spule ergeben. Dabei bildet sich allerdings für Ionen einer Masse bei starker Annäherung an die Detektionselektroden eine Bildstromkurve mit scharfen Ausschlägen. Die bis heute stets beobachtete radiale Verschmierung der Ionenbündel einerseits und die durch Anregungsbedingungen gewählte Entfernung der Ionenkreisbahnen von den Detektionselektroden andererseits führt jedoch zu weitgehend sinusförmigen Bildstromsignalen für jede Ionensorte, aus denen sich durch eine Fourier-Analyse leicht ihre Umlauffrequenz ohne höhere harmonische Frequenzanteile und damit ihre Masse bestimmen lässt.
Weil sich die Ionen frei in Richtung der magnetischen Feldlinien bewegen können, müssen die Ionen, die vom Einfüllen her jeweils Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Magnetfelds besitzen, daran gehindert werden, die Messzelle zu verlassen. Es sind daher die Messzellen an beiden Stirnseiten mit Elektroden ausgestattet, den so genannten „Trapping-Elektroden”. Diese sind für gewöhnlich mit Gleichspannungspotentialen versehen, die die Ionen abstoßen, um sie in der Messzelle zu halten. Es gibt sehr verschiedene Formen für dieses Elektrodenpaar; im einfachsten Fall handelt es sich dabei um plane Elektroden mit zentralem Loch, wie in zu sehen ist. Das Loch dient der Einführung der Ionen in die Messzelle. In anderen Fällen werden wie in außerhalb der inneren Messzelle weitere Elektroden in der Form von Zylindermantelsegmenten angebracht, die die inneren Zylindermantelsegmente nach außen fortsetzen und die mit Trapping-Spannungen versehen werden. Es entsteht so ein offener Zylinder ohne stirnseitige Wände; in diesen Fällen spricht man von „offenen ICR-Zellen”.
Betrachtet man einmal nur den Potentialverlauf längs der Achse der Messzelle, so erzeugen die Ionen abstoßenden Potentiale der äußeren Trapping-Elektroden (gemessen gegenüber dem Potential der Mantelelektroden) sowohl bei Lochblenden wie auch bei offenen ICR-Zellen eine Potentialmulde im Inneren der Messzelle. Der Potentialverlauf längs der Achse hat ein Minimum genau im Mittelpunkt der Messzelle, wenn die Ionen abstoßenden Potentiale an den beidseitigen Trapping-Elektroden gleich hoch sind, mit einem parabelförmigen Potentialverlauf in der direkten engen Umgebung des Zentrums. In größerer Entfernung vom Zentrum weicht der Potentialverlauf vom parabolischen Verlauf mehr und mehr ab. Die eingeführten Ionen werden in dieser Potentialmulde Oszillationen in Achserrichtung ausführen, die so genannten Trapping-Schwingungen, weil sie vom Einführen her Geschwindigkeiten in Achserrichtung besitzen. Solange den Ionen keine zusätzliche kinetische Energie in Achsenrichtung [?] zugeführt wird, hält das starke Magnetfeld die Ionen in der Achse und verhindert jedes radiale Ausweichen.
Es soll hier aber auch angemerkt werden, dass die Trapping-Potentiale zwar ein Minimum längs der Achse aufweisen, dass die Trapping-Potentiale aber in radialer Richtung in Richtung auf die Längselektroden abfallen. Nach den Laplace-Gleichungen muss sich am Tiefpunkt des Potentials ein Sattel ausbilden. Das Minimum in Achsenrichtung ist also, dreidimensional gesehen, ein Sattelpunkt; das Trapping-Potential fällt in radialer Richtung, also quer zur Achse nach allen Seiten hin ab. Dreidimensional bildet die genaue Form der Potentialverteilung ein räumliches Quadrupolfeld, zumindest in enger Umgebung des Sattelpunktes. Die auf der Achse eingeführten Ionen können allerdings, wie schon angemerkt, wegen des starken Magnetfelds nicht seitlich ausweichen, bis sie zusätzliche Energie von oszillierenden elektrischen Anregungsfeldern absorbieren und so auf die Zyklotronbahnen gehoben werden.
Die den Trapping-Schwingungen zugrunde liegenden Trapping-Potentiale verändern die Umlauffrequenzen der Ionen aufgrund der radialen elektrischen Feldkomponenten und wirken so auf die Massenbestimmung ein. Die gemessene Umlauffrequenz ω₊ (die ”reduzierte Zyklotron-Frequenz”) einer Ionensorte beläuft sich bei Abwesenheit von zusätzlichen Raumladungseffekten, also bei nur wenigen Ionen in der ICR-Messzelle, auf
wobei ω_c die ungestörte Zyklotron-Frequenz, und ω_t die Frequenz der Trapping-Schwingung ist. Man kann hieraus entnehmen, dass es günstig ist, für die Trapping-Schwingungen ein harmonisches elektrisches Trapping-Potential mit einer Potentialmulde zu schaffen, die auch weit außerhalb des Zentrums noch exakt parabelförmig ist, da nur dann die Frequenz ω_t der Trapping-Schwingungen, und damit die gemessene Umlauffrequenz ω₊, auch für Ionen mit einiger Streuung der kinetischen Energie keine Streuung aufweist. Es ist also günstig, auch weit außerhalb des Zentrums eine exakt quadrupolare Potentialverteilung zu haben. Nur bei einer Frequenz ω_t, die unabhängig von ihrer (durch die Energiestreuung zufälligen) Schwingungsweite ist, tritt für die reduzierte Zyklotronfrequenz ω₊ keine Streuung auf und es kann für die daraus bestimmte ladungsbezogene Masse m/z eine hohe Genauigkeit und hohe Auflösung erwartet werden. Außerdem ist es günstig, nur sehr kleine Trapping-Potentiale zu verwenden, um auch die Frequenz ω_t klein zu halten. Es werden in der Regel nur Trapping-Spannungen von bis zu etwa drei Volt verwendet, was aber eine Einführung von Ionen mit geringer kinetischer Energie und geringer Energiestreuung erfordert.
Die Frequenz ω_t der Trapping-Schwingungen geht nur über einen etwas komplizierten Mechanismus in die reduzierte Zyklotronfrequenz ω₊ ein. Die elektrischen Feldkomponenten des Trappingfeldes in radialer Richtung erzeugen während der Anregung der Ionen durch die kreisförmigen Beschleunigungen zu Zyklotronbewegungen eine zweite Bewegungsart der Ionen: die Magnetron-Kreisbewegung. Das Magnetron-Kreiseln ist eine kreisende Bewegung um die Achse der Messzelle, aber normalerweise sehr viel langsamer als die Zyklotron-Kreisbewegung und, nach erfolgreicher Anregung, mit viel kleinerem Radius. Die zusätzliche Magnetron-Kreisbewegung führt dazu, dass die Mittelpunkte der Zyklotron-Kreisbewegungen mit der Magnetron-Frequenz um die Achse der Messzelle kreisen, so dass die Bahnen der Ionen Zykloidenbewegungen beschreiben. Erst über diese Magnetron-Kreisbewegung nimmt das Trappingfeld Einfluss auf die Zyklotronbewegung mit dem Resultat einer reduzierten Zyklotronfrequenz ω₊.
Es wäre wünschenswert, in der ICR-Messzelle ein Trapping-Potential zu haben, das keine radialen elektrischen Feldanteile besäße, jedoch die Ionen in axialer Richtung in der Messzelle halten könnte. Es würden dann keine Magnetron-Bewegungen erzeugt, und die oben angegebene Abhängigkeit der gemessenen Umlauffrequenz ω₊ von der Trapping-Frequenz ω_t wäre nicht mehr gegeben. Insbesondere würden gestörte, nicht-harmonische Potentialverteilungen keine Verschmierung der gemessenen Zyklotron-Frequenzen und damit keine Verschlechterung der Massenauflösung bewirken können. Die Laplace-Gleichungen verbieten jedoch eine solche Lösung.
Unter Fachleuten herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass man sich mit einem sattelförmigen Trapping-Potential abfinden müsse, dass aber das Trapping-Potential auch außerhalb der engen Umgebung des Zentrums möglichst exakt die Form eines dreidimensional quadrupolaren Feldes haben sollte, um Trapping-Schwingungen gleicher Frequenz unabhängig von der Schwingungsweite zu ermöglichen. Angeregte Ionen können dann auch während ihrer Zyklotronumläufe parallel zur Achse der Messzelle harmonisch schwingen. Ein solches quadrupolares Trappingfeld kann am einfachsten durch rotationshyperbolische Endkappen- und Ringelektroden erzeugt werden, geometrisch gleich denen einer dreidimensionalen Paulschen Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfalle.
Für die funktionsgerechte Konstruktion einer ICR-Messzelle gibt es daher ein schwer aufzulösendes Dilemma. Einerseits verlangt die Forderung nach einer quadrupolaren Verteilung der Trapping-Potentiale eine Messzelle, die optimal nur mit rotationshyperbolischen Endkappen- und Ring-Elektroden hergestellt werden kann, andererseits verlangt eine gleichmäßige Anregung der Ionen einer ausgedehnten Ionenwolke zu Zyklotronbewegungen sehr lange, achsenparallele Elektroden. Diese beiden Forderungen sind nur sehr schwer gleichzeitig zu erfüllen.
Ein erster Lösungsvorschlag wurde in der Arbeit von G. Gabrielse et al., „Open-Endcap Penning Traps for High Precision Experiments", (I J Mass Spectrom & Ion Processes, 88 (1989), 319–332) veröffentlicht. Die Autoren führten Kompensationselektroden in eine offene ICR-Messzelle ein. Es wurden Messzellen mit fünf Segmenten vorgestellt, mit denen nach mathematischen Berechnungen gute Näherungen für weite quadrupolare Trapping-Felder erzielt werden konnten.
Jüngst hat es zwei weitere Versuche gegeben, in offenen ICR-Messzellen Trapping-Potentiale zu schaffen, die im weiteren Umfeld des Zentrums möglichst gut das dreidimensional quadrupolare Feld einer idealen ICR-Messzelle wiedergeben sollen, um so harmonische Trapping-Schwingungen zu erzeugen. Auch in diesen Arbeiten wurde das oben beschriebene Dilemma zwischen hyperbolischen und zylindrischen Messzellen durch Kompensationselektroden aufzulösen getrachtet, wobei mehr Kompensationselektroden als bei Gabrielse et al. verwendet wurden. In beiden Arbeiten wurden die günstigsten Potentiale an den Kompensationselektroden durch Computersimulationen ermittelt. In der Arbeit von A. V. Tolmachev et al., „Trapped-Ion Cell with Improved DC Potential Harmonicity for FT-ICR MS" (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 586–597) wurden sieben Zylindersegmente mit insgesamt 28 Längselektroden, in der Arbeit A. M. Brustkern et al., „An Electrically Compensated Trap Designed to Eighth Order for FT-ICR Mass Spectrometry", (J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19, 1281–1285) wurden sogar neun Zylindersegmente verwendet.
Die Einwirkungen der Raumladung auf die Ionenwolken, die Einwirkung elastischer Stöße auf die Umverteilung der kinetischen Energie oder sogar auf die Erhöhung der inneren Energie schwerer Ionen, und die Erscheinung der Peak-Koaleszenz soll hier nicht näher diskutiert werden. Einwirkungen dieser Art wurden in der Patentanmeldung DE 10 2008 063 233.3 (R. Jertz und G. Baykut) detailliert diskutiert.
Die Umlauffrequenzen der Wolken mit den jeweiligen Ionensorten können durch die Fourier-Transformationen der Bildstrom-Transienten bestimmt werden. Dabei gilt, dass die Frequenzen umso genauer bestimmt werden können, je länger die Bildströme gemessen werden. Die Messzeiten für die Zyklotron-Umläufe der Ionen sind jedoch begrenzt; sie betragen in kommerziellen ICR-Massenspektrometern häufig nur etwa vier Sekunden. In dieser Zeit ist die Stärke der Bildströme des Transienten in der Zeitdomäne für gewöhnlich so weit abgefallen, dass das Rauschen vorherrscht und eine Verlängerung der Messzeit keine Verbesserungen der Frequenzbestimmung mehr ergibt. Damit wird auch die Massenauflösung nicht mehr verbessert.
Um lange nutzbare Transienten zu erhalten, müssen die Wolken kohärent fliegender Ionen möglichst lange zusammengehalten werden. Dazu muss zunächst das Vakuum in der Messzelle so gut wie möglich sein, weil während der Messung der Bildströme keine Stöße der Ionen mit Restgasmolekülen stattfinden dürfen. Jeder Stoß eines Ions mit einem Restgasmolekül bringt das Ion aus der Umlaufphase der übrigen Ionen gleicher ladungsbezogener Masse. Für höchste Auflösungsvermögen sind Vakua im Bereich von 10^–8 bis 10^–9 Pascal erforderlich.
Es gibt aber noch andere Erscheinungen, die die Kohärenz der Ionen auflösen. In der Arbeit von E. N. Nikolaev et al., „Realistic modelling of ion cloud motion in a Fourier transform ion cyclotron resonance cell by use of a particle-in-cell approach" (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007, 21, 1–20) konnte in aufwändigen Computer-Simulationen gezeigt werden, dass selbst in ideal guten Vakua die zunächst zigarrenförmigen Wolken der Ionen gleicher ladungsbezogener Masse während der Umläufe einer stetigen Formänderung unterliegen. In ICR-Messzellen mit stirnseitigen Trapping-Lochblenden bilden die zigarrenförmigen Wolken je nach Bedingungen von den Enden oder vom Zentrum der Wolken her Schwänze aus, die auf der Kreisbahn der Wolken hinterher gezogen werden. Schwänze vom Zentrum her erzeugen zunächst eine Form, die an breite Kaulquappen erinnert. Die Schwänze verlängern sich ständig, bis sie zu umlaufenden Ringen werden, die für die Detektion der Bildströme nichts mehr beitragen können. Die Kaulquappenköpfe werden zu bloßen Verdickungen der ringförmig umlaufenden Ionenwolken und verschwinden allmählich ganz. Die nutzbare Messzeit ist jetzt zu Ende, da die Bildströme keine Wechselstromanteile mehr enthalten, aus denen allein die Frequenzen der Zyklotronumläufe bestimmt werden können.
Die Gründe für diese Ausbildung von Schwänzen sind noch nicht aufgeklärt, hängen aber wahrscheinlich von der Form der Trapping-Potentiale in Verbindung mit der Raumladung der einzelnen Ionenwolken zusammen. In den Ionenwolken herrschen starke abstoßende Kräfte, die die Wolke auseinander zu treiben versuchen. Diese Kräfte führen im starken Magnetfeld zu einer Rotation der Wolke um ihre eigene Achse, wobei sich die Rotation so einstellt, dass sich die Kraft der abstoßenden Raumladung, die zusätzliche Fliehkraft und die Lorentzkraft die Waage halten. Dabei kann es durch Dichteschwankungen oder andere Effekte zu Ungleichgewichten mit Protuberanzen führen. Interessanterweise spielt es kaum eine Rolle, dass die verschiedenen Wolken der Ionen verschiedener Massen einander dauernd auf ihrer Kreisbahn überholen, wobei sie sich immer wieder gegenseitig durchdringen müssen.
Bleiben die Ionenwolken über längere Zeit zusammen, so kann man für gleiches Auflösungsvermögen die Messzeit verkürzen, indem man mehr als nur zwei Bildstrom-Messelektroden einsetzt. Eine kürzere Messzeit ist ein außerordentlich erstrebenswertes Ziel. Bei vier oder acht Messelektroden verdoppelt oder vervierfacht sich die gemessene Frequenz gegenüber der Umlauffrequenz, und es genügt die Hälfte oder ein Viertel der Messzeit, um zu gleichem Auflösungsvermögen zu kommen. Bei einem Auseinanderfließen der Ionenwolken nimmt dann allerdings auch die nutzbare Dauer der Transienten entsprechend ab. Eine optimale Anzahl von Messelektroden hängt sehr von der genauen Art ab, in der die Ionenwolken auseinanderfließen. Die oben geschilderte Ausbildung von Schwänzen ist dabei nur eine Art, es gibt auch Auflösungserscheinungen der Ionenwolken ganz anderer Arten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ICR-Messzellen bereitzustellen, in denen die anfänglich kohärent fliegenden Ionenwolken länger zusammen bleiben als in bisherigen Messzellen. Entsprechende Verfahren für die Aufnahme von Massenspektren höchster Massenauflösung und höchster Massengenauigkeit sind anzugeben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine zylindrische ICR-Messzelle bereit, deren Mantelfläche in Längsrichtung zumindest im Mittelteil in mehrere Mantelelektroden aufgeteilt ist, jedoch nicht durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Trennspalte, wie bisher üblich, sondern durch gebogen oder geknickt geformte Trennspalte, vorzugsweise durch parabolisch geformte Trennspalte. In den erfindungsgemäßen Messzellen variiert die Breite der Längselektroden. Es entstehen in der bevorzugten Ausführungsform, wie in den , und gezeigt, zentrale zigarrenförmige Mantelelektroden und außen eingepasste dreieckige Mantelelektroden mit gebogenen Dreiecksseiten. Wird an alle dreieckigen Mantelelektroden (und an die ringförmigen Zylinderelektroden an den Enden des Zylinders) ein Trapping-Potential angelegt, so entsteht im Inneren der Messzelle eine komplizierte Potentialverteilung, die im Falle parabolischer Trennspalte für kreisende Ionen im zeitlichen Mittel Trapping-Potentiale mit parabolischem Verlauf in Achsenrichtung aufweisen. In radialer Richtung herrscht ein jeweils fast konstanter Verlauf. Eine zylindrische ICR-Messzelle soll dabei aber nicht auf kreisförmige Stirnflächen beschränkt sein, sondern kann eine beliebige Form annehmen, etwa auch eine quadratische Form, wenn auch die kreiszylindrische Form bevorzugt wird.
Da die Dreieckspitzen beeinträchtigende Feldstörungen erzeugen können, können sie auch, wie in dargelegt, zwischen den zigarrenförmigen Mantelelektroden zu „Doppeldreiecken” verbunden werden.
Supercomputer-Simulationen haben gezeigt, dass die nach kohärenter Anregung auf ihrer Zyklotronbahn umlaufenden Ionenwolken durch die entstehende Potentialverteilung über längere Zeit als in quadrupolaren Potentialverteilungen zusammengehalten werden. Daher sind diese Messzellen voraussichtlich optimal geeignet für die Aufnahme von Massenspektren mit höchster Massengenauigkeit. Es können die Umläufe über längere Zeiten gemessen werden. Es ergeben sich aus den Bildströmen Transienten hoher Güte, woraus Massenspektren nicht nur hoher Massengenauigkeit, sonder auch höchster Massenauflösung gewonnen werden können.
Die Potentialverteilung ist sehr komplex, jedoch schwingen kreisende Ionen gleicher Masse unabhängig von ihrer Schwingungsweite mit gleicher Trappingfrequenz in Achsenrichtung. Die Anregung der Ionen erzeugt vermutlich eine Zyklotronbewegung praktisch ohne Magnetronbewegung. Es kann auch erwartet werden, dass die Zyklotronfrequenz von der Trappingfrequenz weitgehend unabhängig ist. Die elektrischen Feldkomponenten in radialer Richtung sind auf jeden Fall weit schwächer als in bisherigen Messzellen und wechseln sich außerhalb des Zentrums über einen Umlauf eines Ions ständig in ihrer Richtung ab; sie bewirken abwechselnde Beschleunigungen und Verzögerungen des Ions auf seiner Umlaufbahn, die sich aber weitgehend ausmitteln, Sie haben daher kaum Einfluss auf die Umlauffrequenz.
Die Trennspalte im Zylindermantel können so ausgeführt werden, dass vier, acht, zwölf oder mehr zigarrenförmige Mantelelektroden entstehen. Bei vier zigarrenförmigen Mantelelektroden können beispielsweise zwei für die Anregung der Ionen zu Zyklotronkreisbahnen, und die beiden anderen zur Messung der Bildströme verwendet werden. Werden mehr zigarrenförmige Mantelelektroden verwendet, so können durch Verwendung von vier oder mehr Bildstrom-Messelektroden auch Verdopplungen oder Vervielfachungen der Umlauffrequenzen gemessen werden, wodurch ein erwünschtes Auflösungsvermögen in kürzerer Messzeit erhalten wird.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
gibt eine zylindrische ICR-Messzelle nach dem Stand der Technik wieder. Zwischen den beiden Trapping-Elektroden (01) und (07), die hier als Lochblenden ausgebildet sind, befinden sich vier Längselektroden (02–05) in der Form von parallelen Zylindermantelausschnitten, von den hier aber nur zwei Längselektroden (03, 04) sichtbar sind. Von den vier Längselektroden dienen zwei gegenüberliegende Elektroden, beispielsweise die Elektroden (03) und (05), zur Anregung der Ionen zu Zyklotronbahnen und die beiden anderen zum Messen der Bildströme.
zeigt eine offene ICR-Messzelle in zylindrischer Ausführung mit insgesamt sieben Zylindersegmenten, ebenfalls nach dem Stand der Technik. Die vier Längselektroden sind hier entsprechend den Zylindersegmenten in je sieben Teilstücke geteilt. Durch Trapping-Spannungen an den Elektroden der Zylindersegmente kann ein sehr gut angenähertes harmonisches Trappingpotential erzeugt werden.
zeigt eine offene zylindrische ICR-Messzelle nach dieser Erfindung, in der die Mantelelektroden im Mittelteil der Messzelle durch parabelförmige Trennfugen in acht zigarrenförmige und 16 gleichschenklig-dreieckige Mantelelektroden mit gebogenen Dreiecksschenkeln aufgeteilt ist. An den Enden des Zylinders sind ringförmige Fortsetzungen der Zylinderelektroden angebracht. Durch eine Trappingspannung an den dreieckigen Mantelelektroden und an den äußeren Ringen wird im Inneren die gewünschte Potentialverteilung erzeugt, die für kreisende Ionen in axialer Richtung einen parabelfömigen Verlauf, in radialer Richtung einen jeweils praktisch konstanten Verlauf aufweist.
In ist oben die abgewickelte Mantelfläche der erfindungsgemäßen Messzelle aus mit parabolisch geformten Trennspalten gezeigt, die acht zigarrenförmige (a–h) und 16 dreieckige (i–x) Mantelelektroden ergeben. Die Messzelle ist mit zwei Ringelektroden (y) und (z) an den Enden versehen. Im mittleren Teil der ist eine Seitenansicht der Messzelle gezeigt. Im unteren Teil der ist die für kreisende Ionen gemittelte Potentialverteilung wiedergegeben, die eine parabolische Potentialmulde aufweist. In der Mittelachse weicht die Potentialverteilung zu den Enden der Zylinder hin zunehmend von der parabolischen Verteilung ab; auf Radien, die weiter außen liegen, erstreckt sich die parabolische Verteilung in axialer Richtung weiter nach außen; für direkt an den Mantelelektroden kreisende Ionen nähert sich die Parabel dem gemittelten Potential der Elektroden an, mit einem Knick an der Grenze zur äußeren Ringelektrode.
stellt eine geschlossene Messzelle mit jeweils zwei äußeren Elektrodenringen M, N, O und P dar, die im Mittelteil des Zylinders durch parabolische Trennspalte in vier zigarrenförmige (A, B) und acht dreieckige (E, F, G, I, J, K) Mantelelektroden aufgetrennt ist. Von den vier zigarrenförmigen Mantelelektroden (A, B) können zwei gegenüberliegende zur Anregung der Ionen, die beiden anderen für die Messung der Bildströme verwendet werden. Die scheibenförmige Abschlusselektrode (Q) hat eine Öffnung (R), durch die die Ionen eingeführt werden. Die Trennspalte sind hier deutlicher dargestellt. Durch die Dreieckspitzen, beispielsweise zwischen den Dreiecken (F) und (J), kommt es zu einer leichten Unregelmäßigkeit in der Potentialverteilung.
zeigt eine Ausführungsform der Messzelle aus , die durch „Doppeldreiecke”, die die Dreieckspitzen vermeiden, eine regelmäßige Potentialverteilung im Inneren bietet. Die Messzelle ist hier als offene Messzelle dargestellt.
Beste Ausführungsformen
Die Erfindung stellt eine zylindrische ICR-Messzelle bereit, deren Zylindermantel im Mittelteil der Messzelle in Längsrichtung in mehrere voneinander isolierte Mantelelektroden aufgeteilt ist, jedoch nicht durch gerade, parallel zur Zylinderachse verlaufende Trennspalte, wie bisher üblich, sondern durch gebogen oder geknickt geformte Trennspalte. Die Mantelelektroden haben also in Längsrichtung variierende Breiten. Mit gebogenen Trennspalten entstehen dabei zigarrenförmige und dreieckige Mantelelektroden mit gebogenen Dreiecksseiten. Bevorzugt werden dabei parabolisch aufgetrennte Mantelelektroden; wird an alle dabei entstandenen dreieckigen Mantelelektroden (und an die weiter außen liegenden ringförmigen Zylinderelektroden) ein Trapping-Potential angelegt, so entsteht im Inneren der Messzelle eine komplizierte Potentialverteilung, die für kreisende Ionen im zeitlichen Mittel Trapping-Potentiale mit parabolischem Verlauf in Achserrichtung aufweisen. In radialer Richtung herrscht ein jeweils fast konstanter Verlauf.
Die erfindungsgemäße Messzelle mit parabolisch geformten Trennspalten ist voraussichtlich optimal für die Aufnahme von Massenspektren mit höchster Massengenauigkeit und höchster Massenauflösung. Supercomputer-Simulationen haben gezeigt, dass die auf ihrer Zyklotronbahn kohärent umlaufenden Ionenwolken durch die entstehende Potentialverteilung über längere Zeit als in harmonischen Potentialverteilungen zusammengehalten werden. Es ist zu erwarten, dass sich aus den Bildströmen Transienten hoher Güte und langer Nutzungsdauer ergeben, woraus Massenspektren nicht nur hoher Massengenauigkeit, sonder auch höchster Massenauflösung gewonnen werden können.
Da die Ionen der einzelnen Massen auf ihren Umläufen über lange Zeiten kohärent in Wolken zusammengehalten werden, können durch Verwendung von vier und mehr Bildstrom-Messelektroden auch Verdopplungen oder Vervielfachungen der Umlauffrequenzen gemessen werden, ohne dass die so erhaltenen Bildstrom-Transienten rasch bis auf restliches Rauschen abnehmen. Dadurch kann ein vorgegebenes Auflösungsvermögen in halber oder noch kürzerer Messzeit erhalten werden. Die Spalte im Zylindermantel können so ausgeführt werden, dass nicht nur vier, sondern acht, zwölf oder mehr zigarrenförmige Mantelelektroden entstehen. Bei acht zigarrenförmigen Mantelelektroden, wie in den und , können beispielsweise zwei (oder auch vier) für die Anregung der Ionen zu Zyklotronkreisbahnen, und die vier anderen zur Messung der Bildströme mit einer Frequenz verwendet werden, die der doppelten Umlauffrequenz entspricht.
Liegen parabolisch geformte Trennspalte vor, so erzeugen geeignete Spannungen an den dreieckigen Mantelelektroden und an den äußeren Elektrodenringen im Inneren des Zylinders eine Potentialverteilung, die für kreisende Ionen in Achserrichtung parabolisch geformt und in radialer Richtung jeweils praktisch konstant ist, da sich die elektrischen Felder in radialer Richtung weitgehend ausmitteln. Der parabolische Verlauf ist für Ionen auf Kreisbahnen auf allen Radien praktisch gleich; kreisende Ionen gleicher Masse schwingen also unabhängig von ihrem Radius mit gleicher Trappingfrequenz in Achserrichtung. Das Potential im Inneren der Messzelle hat eine sehr komplexe Form, deren Wirkung auf die Ionen nicht einfach zu überblicken ist. Aller Wahrscheinlichkeit nach erzeugt die Anregung der Ionen eine Zyklotronbewegung ohne Magnetronbewegung. Die Zyklotronfrequenz ist vermutlich von der Trappingfrequenz unabhängig.
Die stationär vorhandenen elektrischen Feldkomponenten in radialer Richtung wechseln sich außerhalb der Mitte des Zylinders über einen Umlauf eines Ions ständig in ihrer Richtung ab; sie bewirken abwechselnde Beschleunigungen und Verzögerungen des Ions auf seiner Umlaufbahn, die sich aber so ausmitteln, dass sie keinen Einfluss auf die Umlauffrequenz haben. Die Umlauffrequenz entspricht vermutlich genau der Zyklotronfrequenz; aber selbst wenn diese Vermutung nicht zutreffen sollte, ist die erfindungsgemäße Form der Messzelle vorteilhaft, allein weil die Kohärenz der Ionen über längere Zeit gewahrt bleibt als mit bisher eingesetzten Messzellen.
Die Erfindung stellt auch Verfahren bereit, mit denen in den erfindungsgemäßen ICR-Messzellen Massenspektren höchster Massenauflösung aufgenommen werden können. Insbesondere können die Trappingspannungen, die hier nicht mehr unbedingt klein gehalten werden müssen, so optimiert werden, dass der nutzbare Teil der Transienten möglichst lang wird.
Die Einführung der Ionen in die Messzelle folgt dabei üblichen Verfahren, am besten mit niedrigen Trappingspannungen, die nur an die äußeren Elektrodenringe angelegt werden. Das führt zu einer ausgedehnten, zigarrenförmigen Wolke von Ionen in der Achse der Messzelle. Die Ionen schwingen in dieser Wolke von einem Ende zum anderen und wieder zurück. Nach dem Einfangen der Ionen werden die Trappingspannungen auch an die dreieckigen Mantelelektroden gelegt. Die Ionen schwingen dann immer noch sehr weit in Achsenrichtung hin und her.
Die Anregung dieser Ionenwolke mit Anheben der Ionen auf Zyklotronbahnen beispielsweise durch einen Chirp erfordert aber ein räumlich ausgedehntes elektrisches Anregungsfeld, damit alle Ionen gleichmäßig erfasst werden können. Ein solch langes, gleichmäßiges Anregungsfeld kann aber durch die zigarrenförmigen Mantelelektroden allein nicht hergestellt werden. Es kann aber näherungsweise ein solch langes Feld durch Zusammenschluss der zigarrenförmigen Mantelelektroden (a) mit den dreieckigen Mantelelektroden (i) und (q) in erzeugt werden, als Gegenelektrode kann der Zusammenschluss der Mantelelektroden (e) mit (m) und (u) dienen. Es können auch die äußeren Elektrodenringe durch axiale Trennfugen in einzelne Mantelelektroden aufgeteilt werden, um die für die Anregung benutzte Elektrodenstrecke noch verlängern zu können.
Es kann die zigarrenförmige Wolke aber auch nach ihrem Einfüllen durch vorübergehende Erhöhung der Trappingspannung an den äußeren Elektrodenringen und an den dreieckigen Mantelelektroden zu einer fast kugelförmigen Wolke zusammengeschoben werden, die zur Anregung nicht ein so langes Anregungsfeld erfordert. Nach Anregung der kugelförmigen Wolke kann durch Verringerung der Trappingspannungen die Wolke wieder auseinander gezogen werden, um die Einwirkungen der Raumladung zu verringern. Die optimale Trappingspannung ist diejenige, die wie oben beschrieben einen möglichst langen Transienten erzeugt.
Für die Optimierung ist es vorteilhaft, dass sich die Dauer des Transienten bei einer geringen Änderung der Trapping-Potentiale bereits stark ändert, also ein ausgeprägtes Optimum existiert. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass sich die Dauer des nutzbaren Teils der Transienten visuell, aber auch durch computergestützte Auswertung leicht bestimmen lässt. Mit einer computergestützten Auswertung lässt sich ein voll automatisches Optimierungsverfahren programmieren.
Die Optimierung auf einen langen Transienten ist wesentlich einfacher, als die direkte Optimierung auf höchste Massenauflösung, da letztere je nach Dauer der Transienten jeweils andere Fourier-Transformationen für andere Datenmengen erfordert, die aber nur beschränkt zur Verfügung stehen. Eine Optimierung, die direkt auf ein höchstes gemessenes Auflösungsvermögen abzielt und durch diese gesteuert wird, ist wesentlich schwieriger, aber nicht unmöglich. So kann man beispielsweise stets eine Fourier-Transformation für eine große Datenbreite, beispielsweise für 512 000 Datenpunkte, verwenden, ohne Rücksicht auf die nutzbare Dauer des Transienten.
Die Optimierung erfordert eine Anzahl wiederholter Messungen der Bildstrom-Transienten unter ständig veränderten Werten der Potentiale. Für jede einzelne Messung ist die ICR-Messzelle stets neu mit Ionen zu befüllen. Für eine rasche und eindeutige Optimierung ist die Anzahl der Ionen in der Messzelle durch eine geeignete Steuerung möglichst immer gleich hoch zu halten. Mit dieser einmal festgelegten Anzahl von Ionen müssen dann auch die nachfolgenden Aufnahmen der Massenspektren vorgenommen werden, wenn optimal gute Massenauflösungen erreicht werden sollen. Für einen hohen dynamischen Messbereich innerhalb der Massenspektren ist es günstig, eine hohe Anzahl von Ionen in der ICR-Messzelle zu haben. Es ist also günstig, eine hohe Anzahl von Ionen auch schon bei der Optimierung zu verwenden.
Der einschlägige Fachmann wird in Kenntnis dieser Erfindung weitere vorteilhafte Messverfahren unter Verwendung entsprechender ICR-Messzellen entwickeln können. Auch die Entwicklung weiterer Arten von ICR-Messzellen ist möglich. So können beispielsweise die Trennspalte in die äußeren Elektrodenringe fortgeführt werden. Die Potentiale an den dreieckigen Mantelelektroden brauchen nicht alle gleich zu sein, möglicherweise, um besondere Fokussierungseffekte auf die Ionenwolken zu erzeugen. Auch diese Potentiale können durch das Optimierungsverfahren für höchste Massenauflösungen eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008063233 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Gabrielse et al., „Open-Endcap Penning Traps for High Precision Experiments”, (I J Mass Spectrom & Ion Processes, 88 (1989), 319–332) [0020]
Gabrielse et al. [0021]
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E. N. Nikolaev et al., „Realistic modelling of ion cloud motion in a Fourier transform ion cyclotron resonance cell by use of a particle-in-cell approach” (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007, 21, 1–20) [0025]

Claims

ICR-Messzelle in Form eines Zylinders, dessen Mantelfläche zumindest im Mittelteil des Zylinders in Längselektroden aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Längselektroden entlang des Zylinders variiert.
ICR-Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des Zylinders Ringelektroden vorhanden sind.
ICR-Messzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längselektroden durch gebogene oder geknickte Trennspalte die Form von zigarrenförmigen und dreieckigen oder doppeldreieckigen Mantelelektroden besitzen.
ICR-Messzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennspalte parabolisch gebogen sind.
ICR-Messzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier zigarrenförmige Mantelelektroden vorhanden sind.
ICR-Messzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass acht, zwölf oder sechzehn zigarrenförmige Mantelelektroden vorhanden sind.
ICR-Messzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälfte der zigarrenförmigen Mantelelektroden so an den Bildstrom-Messverstärker angeschlossen sind, dass die Frequenzen in den Bildströmen der doppelten, dreifachen oder vierfachen Frequenz der Innenumläufe entsprechen.
ICR-Messzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Enden der zigarrenförmigen Mantelelektroden eingepassten dreieckigen Mantelelektroden in der Mitte der Messzelle zwischen den zigarrenförmigen Mantelelektroden zu Doppeldreiecken verbunden sind.
Verfahren zur Messung von Massenspektren höchster Massenauflösung mit einer ICR-Messzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trappingspannung, die an den äußeren Elektrodenringen und an allen dreieckigen Mantelelektroden liegt, so eingestellt werden, dass ein möglichst langer Transient entsteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildströme an den zigarrenförmigen Mantelelektroden gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildströme an vier, sechs oder acht zigarrenförmigen Mantelelektroden so gemessen werden, dass die Ionenwolken Bildstromfrequenzen erzeugen die dem Doppelten, Dreifachen oder Vierfachen der Umlauffrequenz entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trappingspannung so eingestellt wird, dass die nutzbare Dauer des Bildstrom-Transienten ein Maximum annimmt.